25. März 2025

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Seit bereits über einem Jahrzehnt wird Quantencomputern der unmittelbare Durchbruch prophezeit.¹ Trotz zahlreicher überzogener Versprechen gibt es realen technologischen Fortschritt, der dazu geführt hat, dass nun immer häufiger Publikationen zur „Quantenüberlegenheit“ (“quantum supremacy”)² und neuen skalierbaren Systemen³ in renommierten wissenschaftlichen Zeitschriften erscheinen.

In dieser Zeit haben politische Entscheidungsträger Quantentechnologie und insbesondere Quantencomputer (oft mit dem etwas nichtssagenden Überbegriff „quantum“) als Schlüsseltechnologie entdeckt, von deren Beherrschung in Zukunft Wohlstand und Sicherheit abhängen würden:

“[...] sensitive technologies critical to national security in three sectors: semiconductors and microelectronics, quantum information technologies, and artificial intelligence.” (Joe Biden, 9.8.2023)

“Our focus is on critical technologies like semiconductors, artificial intelligence, quantum computing, and biotech.” (Ursula von der Leyen, 5.11.2024)

“Quantum technologies have potentially revolutionary and disruptive implications, which can degrade the Alliance’s ability to deter and defend. Quantum technologies are therefore an element of strategic competition.” (NATO's Quantum Technologies Strategy, 17.1.2024)

In diesem Beitrag werde ich zunächst die vier wichtigsten Anwendungsbereiche von Quantencomputern (und Quantentechnologie im weiteren Sinn) darstellen⁴ und anschließend daraus schließen, dass keine „Quantenrevolution“ zu erwarten ist und technologische Führerschaft nur mit einer breit aufgestellten Forschungslandschaft zu erreichen ist.

Sensoren

Im Bereich von Hochpräzisionsmessungen und Sensoren werden spezifisch quantenmechanische Effekte („gequetschtes Licht“ oder Verschränkung) bereits zur Messung von Gravitationswellen genutzt und können in Zukunft zu präziseren Atomuhren und Gravitometrie beitragen.

Diese Technologien könnten Anwendungen bei der Suche nach Rohstoffen sowie im Sicherheits- und Militärbereich haben – u.a. für die Positionsbestimmung und Navigation. Jedoch ist die Verwendung von Quanteninformationstechnologien in diesem Bereich keinesfalls ein disruptiver Schritt. Vielmehr ist Quantentechnologie ein Werkzeug unter vielen, das schrittweise verbessert wird und zum allgemeinen technologischen Fortschritt beiträgt.

Simulation

Ein zentraler theoretischer Vorteil von Quantencomputern ist ihre Fähigkeit, andere quantenmechanische Systeme in einer Präzision zu simulieren, die Algorithmen auf klassischen Computern derzeit⁵ nicht erreichen können. Es ist auch der Bereich, in dem es relativ rasch zu praktisch nützlicher „Quantenüberlegenheit“ kommen könnte,⁶ u.a. weil dafür kein „universeller“ Quantencomputer notwendig ist.

Quantencomputer könnten also möglicherweise in naher Zukunft bei der Entwicklung neuartiger Materialien, Medikamente, Katalysatoren zur Bindung von Kohlendioxid, usw. eingesetzt werden. Ob diese Anwendungen auch wirtschaftlich sein werden, wird von zahlreichen Faktoren abhängen, unter anderem vom Aufwand der Vorbereitung und Auswertung der Daten und den Verbesserungen bei konkurrierenden, neuartigen (KI)-Algorithmen und Supercomputern. Selbst wenn sich Quantencomputer in diesem Anwendungsbereich durchsetzen sollten, wird dies ein schrittweiser Prozess sein; unmittelbare geostrategische Auswirkungen sind in diesem Bereich ebenfalls nicht zu erwarten.

Entschlüsselung

Die wohl größten Sorgen betreffen die theoretische Fähigkeit ausreichend starker, universeller Quantencomputer, gängige asymmetrische (“public key”) Verschlüsselungsverfahren,⁷ die etwa Browser, Messaging-Dienste oder E-Mail-Software verwenden, zu brechen. Es wird davon ausgegangen, dass zumindest staatliche Akteure deshalb bereits jetzt massenhaft verschlüsselte Daten gespeichert werden, um zu einem späteren Zeitpunkt mit Quantencomputern entschlüsselt zu werden (“harvest now, decrypt later”).

Dieses sowohl für den zivilen als auch für den militärischen Bereich scheinbar schwerwiegende Cyberrisiko ist aktuell jedoch sehr theoretischer Natur. Einen 2048-bit RSA-Schlüssel zu finden würde nach heutigem Wissen mit einem universellen Quantencomputer, der über 20 Millionen Quantenbits (qubits) verfügt, mehrere Stunden dauern – aktuell können (mit unzureichender Fehlerkorrektur und sehr eingeschränkten Operationen) gerade einmal 256 qubits manipuliert werden. Bislang waren die Fortschritte bei der Anzahl eingesetzter qubits sehr inkrementell, ein rascher Durchbruch über mehrere Größenordnungen ist in unmittelbarer Zukunft nicht zu erwarten. Bevor ein Quantencomputer tatsächlich Daten entschlüsselt, werden noch Jahre bis Jahrzehnte vergehen.

Noch wichtiger ist, dass neuartige, „post-quantum“ Verschlüsselungsverfahren nicht mehr für Angriffe von Quantencomputern anfällig sind. Das US-Standardisierungsinstitut NIST hat dafür bereits Algorithmen ausgewählt und einen Fahrplan für die Umsetzung veröffentlicht. Die Messaging-Apps Signal, iMessage haben bereits auf einen hybriden Algorithmus umgestellt, der nicht mehr auf Quantenangriffe anfällig ist; alle gängigen Browser unterstützen bereits entsprechende Algorithmen und auch für E-Mail-Verschlüsselung ist die Standardisierung neuer Verschlüsselungsmechanismen weit fortgeschritten. Wenn die Umsetzung nach Plan läuft, ist also kaum zu erwarten, dass Quantenangriffe eine signifikante Gefahr für zukünftige Verschlüsselung darstellt.

Sichere Kommunikation

Positive Erwartungen werden mit Quantenkommunikation verbunden, die es erlaubt, unter gewissen Bedingungen, absolut abhörsicher⁸ Schlüssel auszutauschen. Damit könnte auf public key Verschlüsselungsverfahren verzichtet werden, die, wie bereits erwähnt, anfällig für Angriffe mit zukünftigen Quantencomputern sind. Die Technologie steht kurz vor der Marktreife, doch angesichts der Verfügbarkeit von klassischen post-quantum-Algorithmen wird sich der massive technische Aufwand für die geringe Bandbreite für einen minimalen Sicherheitsgewinn kaum auszahlen – auch nicht für militärische Anwendungen.

Hingegen ist ein tatsächlich nützlicher quantenmechanischer Baustein die Erzeugung und Zertifizierung von Zufallszahlen (quantum random number generator), da schlechte oder manipulierte Zufallszahlgeneratoren in der Vergangenheit oftmals zur Schwächung der Verschlüsselung eingesetzt wurden. Diese sind bereits marktreif und werden in Zukunft wohl in sensiblen Bereichen standardmäßig eingesetzt werden – weitere signifikante Fortschritte sind jedoch nicht mehr zu erwarten.

Fazit: angekündigte Revolutionen...

In diesem kurzen Überblick habe ich die vier wesentlichen praktischen Anwendungsfelder von Quantentechnologie dargestellt. In näherer Zukunft werden sehr wahrscheinlich Quantensensoren und möglicherweise verbesserte Simulationsmethoden auf den Markt kommen, die jedoch bestehende Methoden nur inkrementell verbessern werden. Im Bereich der Cybersicherheit ist die Sorge vor Quantencomputern bzw. die Hoffnung, die in Quantenkommunikation gesetzt wird, absolut überzogen. Das Problem, das damit gelöst werden soll wird mit der Erfindung robuster post-quantum Algorithmen zur Verschlüsselung in absehbarer Zeit nicht mehr bestehen. Traditionelle Methoden für Cyberangriffe (Phishing, soziales Engineering, Identifikation von Softwarelücken usw.) werden auch in Zukunft die Hauptvektoren bleiben, gegen die erheblich mehr Ressourcen als bisher aufgewendet werden müssen.

Der Fokus von Forschung und Entwicklung auf wenige Felder, die gerade in Mode sind (künstliche Intelligenz, Batterien, Quantentechnologie) ist fehlgeleitet. Nur eine breite, exzellente Forschungslandschaft gewährleistet langfristig die technologische Führerschaft – denn auch wissenschaftliche Revolutionen ereignen sich meist nicht dort, wo man sie erwartet.

Auch wenn, zumindest nach derzeitigem Wissensstand, keine „Quantenrevolution“ zu erwarten ist, sollten Investitionen in Grundlagenforschung und Entwicklung von Quantentechnologie selbstverständlich ausgebaut werden – im gleichen Ausmaß wie für Spitzenforschung in anderen Feldern der Physik, Mathematik, Chemie, Biologie und Medizin. Wissenschaftliche und damit technologische Führerschaft baut auf breit aufgestellte Exzellenz, nicht auf einer Chimäre der „Dominanz“⁹ in einzelnen Feldern, die gerade bei – meist wissenschaftlich wenig informierten – Entscheidungsträgern in Mode sind (aktuell künstliche Intelligenz, Batterien, Quantentechnologie). Revolutionen ereignen sich meist nicht dort, wo man sie erwartet – auch nicht in der Wissenschaft.

1. Siehe zum Beispiel eine Presseaussendung von D-Wave aus 2017, in denen von einem 1000 bis 10000-fachem Vorteil eines Quantencomputers gegenüber klassischen Computern die Rede ist. ↩︎
2. Allein in den letzten Monaten erneut durch D-Wave und Google. ↩︎
3. Microsoft Azure Quantum für einen „topologischen“ und PsiQuantumfür einen photonischen Quantencomputer. ↩︎
4. Für weiterführende Informationen siehe den guten Wikipedia-Artikel sowie einen wissenschaftlichen Überblick. ↩︎
5. Für gewisse Probleme, für die keine effizienten klassischen Algorithmen bekannt sind, gibt es hocheffiziente Quantenalgorithmen. Es gibt jeodoch keinen Beweis, dass Quantencomputer klassischen Computern grundsätzlich überlegen sind. ↩︎
6. Vor einigen Wochen hat D-Wave angekündigt, dies bereits erreicht zu haben. Natürlich könnte ein neuer klassischer Algorithmus gefunden werden, der diesen Vorteil zunicht macht. ↩︎
7. Der Shor-Algorithmus bietet in diesem Fall einen exponentiellen Vorteil gegenüber bekannten klassischen Algorithmen. Bei symmetrischen Verschlüsselungsverfahren wie AES verfügt ein Quantencomputer über den Grover-Algorithmus theoretisch über einen quadratischen Vorteil, der jedoch in der Realität kaum relevant sein wird. ↩︎
8. Rein aufgrund von Korrelationen (“device independent”) kann sichergestellt werden, dass der geteilte Schlüssel nicht abgehört wurde – die Grundlage dafür ist, dass quantenmechanische Zustände nicht kopiert werden können. ↩︎
9. Ungeachtet dessen, dass eine derartige „Dominanz“ in stark an die Grundlagenforschung angelehnten Bereichen nur sehr kurz währt. Sobald bekannt ist, wie ein Quantencomputer gebaut werden kann, wird jedes entwickelte Land rasch darüber verfügen. ↩︎