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2021-05-06
Annabelle Theobald

Hurra, sie lebt! –wahrscheinlich

CISPA-Faculty Dr. Nico Döttling über Quantencomputing und Quantenkryptografie
Forschung

Dass sich die Prinzipien der Quantenwelt nicht so leicht in unseren Alltag übertragen lassen, zeigte schon 1935 der Physiker Erwin Schrödinger mit einem Gedankenexperiment. Eine mittlerweile ziemlich berühmte Katze hockt in dem Szenario zusammen mit einer barbarischen Tötungsvorrichtung eine Stunde lang in einer Kiste. Ob die Tötungsmaschinerie aktiviert wird oder nicht, hängt vom Zerfall der instabilen Atome einer radioaktiven Substanz ab. Dass der Zerfall eintritt, während das arme Tier noch in der Kiste hockt, ist laut Schrödinger ebenso wahrscheinlich wie unwahrscheinlich. Griffen hier die Regeln der Quantenphysik, wäre die Katze gleichzeitig solange tot und lebendig, bis jemand die Kiste öffnet und ihren Zustand eindeutig festlegt. Hört sich ziemlich konstruiert an? Ist es auch, ­ zumindest was Katzen in Kisten und andere Alltagssysteme angeht. Auf mikroskopischer Ebene passiert jedoch genau das, weshalb dieses Bild noch heute oft herangezogen wird. Quantenobjekte, beispielsweise Elektronen, können mehr als einen Zustand gleichzeitig einnehmen. Dieser Überlagerungszustand, genannt Superposition, löst sich allerdings auf, sobald ihn jemand beobachtet. Wofür man sich diesen Beobachter-Effekt zunutze machen kann und warum die Potentiale und Gefahren, die von Quantencomputern ausgehen, häufig überschätzt werden, erklärt CISPA-Faculty Dr. Nico Döttling.

 „Der Beobachter-Effekt ist ein grundlegendes Prinzip der Quantenphysik, das besagt: Man kann kein System beobachten, ohne es dadurch zu verändern“, erklärt Döttling. Während bei makroskopischen Systemen dieser Effekt kaum oder nicht sichtbar wird, seien die Auswirkungen auf Quantensysteme, die aus wenigen Teilchen bestehen, enorm. „Die Grundidee der Quantenkryptographie ist ­– vereinfacht gesagt – den Beobachter-Effekt zu nutzen, um festzustellen, ob ein Kommunikationskanal angezapft wurde.“ Ist das der Fall, werde der geheime Schlüssel, der über diesen Kanal ausgetauscht wird, verworfen. Der sogenannte Quantenschlüsselaustausch, von dem hier die Rede ist, ist laut Döttling eines der einfachsten Forschungsprobleme im Bereich Quantenkryptographie. „Es gilt von theoretischer Seite als sehr gut verstanden.“ Und es ist ein Beispiel dafür, wie sich Cybersicherheitsforscher:innen die Eigenschaften von Quantensystemen zunutze machen wollen.

Dabei gelten gerade Quantencomputer derzeit Vielen als eine der größten Bedrohungen, wenn es um die Sicherheit digitaler Kommunikation geht. „Sie sind aus Sicht der Kryptographie relevant, da sie einige kryptographische Verfahren effizient brechen können, die als sicher gegen klassische Angreifer gelten. Dazu gehören die bekannten und weit verbreiteten RSA- und ElGamal-Verfahren, auf denen die Sicherheit derzeitiger Internettechnologie basiert“, erklärt Döttling. Schon seit den frühen 90er-Jahren existierten allerdings zahlreiche quantensichere Verfahren, die alternativ genutzt werden könnten. Das Problem sei daher eher ein politisches und bürokratisches, da neue Verschlüsselungsverfahren, um eine weite Verbreitung zu finden, standardisiert werden müssten. Das sei aufwendig und kostenintensiv.

Ebenso wie die Risiken für sichere Kommunikation, die von Quantencomputer ausgehen, hält Döttling auch ihre Potentiale für überschätzt. Das liegt daran, dass das, was sie besonders macht, auch dazu führt, dass sie besonders anspruchsvoll und schwer kontrollierbar sind. Was bedeutet das konkret? Quantencomputer gelten als sehr viel leistungsstärker als klassische Rechner, da sie Rechenoperationen nicht nur nacheinander, sondern auch parallel ausführen können. Das gelingt, weil ihre kleinsten Informations- und Recheneinheiten, die sogenannten Qubits, nicht nur zwei Zustände wie die Bits in klassischen Computern einnehmen, sondern auch in Überlagerungszuständen befinden können. Außerdem sind sie in der Lage, sich auf eine besondere Art zu verbinden beziehungsweise zu verschränken und das selbst dann, wenn sie sehr weit auseinander liegen. Damit ein Quantencomputer Berechnungen durchführen kann, müssen möglichst viele Qubits miteinander verschränkt bleiben. Sie verlieren aber schon bei den geringsten Einflüssen von außen ihren Superpositionszustand.

In den vergangenen Jahren hat die Technologie einen enormen Entwicklungsschub erfahren. Von einem Quantencomputer zu sprechen, sei allerdings zu früh, sagt Döttling – auch mit Blick auf erste praktische Umsetzungen auf diesem Feld, mit denen Großkonzerne wie Google und IBM in den vergangenen Jahren Schlagzeilen machten. „Googles Quantencomputer ‚Sycamore‘ kann nur das eine spezielle Problem lösen, um das herum er gebaut wurde.“ Von einem Computer zu sprechen, sei daher nicht ganz richtig. „Wann und ob ein vollfunktionsfähiger Quantencomputer kommen wird, ist noch nicht gesagt.“ 

Dabei gibt es mindestens ein Einsatzszenario, das Quantensysteme für Forscher:innen weltweit besonders interessant macht:  die Simulation anderer Quantensysteme. Die könne etwa bei der Entwicklung neuer Medikamente eine große Rolle spielen. „Die Hoffnung ist, dass damit simuliert werden kann, wie ein bestimmtes Medikament vom Körper aufgenommen wird und ob der gewünschte Effekt eintritt.“ So könne unter Umständen für verschiedene Einsatzzwecke ganz ohne Tests am lebenden Objekt das bestmögliche Medikament entwickelt werden, ­ lautet die Hoffnung der Forscher:innen.

Döttling, der ursprünglich aus Heilbronn kommt, ist seit 2018 am CISPA beschäftigt und lehrt an der Universität des Saarlandes. Quantenkryptografie ist nur eines seiner Forschungsfelder. „Ich beschäftige mich vor allem mit sogenannten Mehrparteienberechnungen.“ Dabei gehe es darum, sichere Verfahren zu entwickeln, mit denen mehrere Parteien, die sich zwar in gewisser Weise kennen, aber nicht vertrauen, ein gemeinsames Ziel erreichen. „Das könnten zum Beispiel 100 konkurrierende Chip-Hersteller sein, die ihre Statistiken vergleichen wollen, um herausfinden, welche Zahl an Mikrochips sich verkaufen lässt. Ihre Verkaufszahlen wollen sie aber nicht offenlegen.“  Normalerweise bräuchten sie dann einen Dritten, dem sie die Daten anvertraue, der für sie das Ergebnis berechnet und bekanntgibt, erklärt Döttling. „Dabei ist aber ja nicht klar, ob dieser auch wirklich unbestechlich ist.“  An Stelle eines solchen Mittelsmann könnte künftig ein kryptografisches Verfahren treten, erklärt der 38-Jährige. Bevor er nach Saarbrücken kam, forschte und lehrte Döttling an der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen-Nürnberg. Zuvor war er als Postdoc zwei Jahre in Dänemark an der Universität Aarhus und an der UC Berkeley in Kalifornien.