DSI Insights: Sind wir fit für Quantencomputing?
Die vierten DSI Insights widmen sich unserem Positionspapier «Empfehlungen für eine Zukunft mit Quantentechnologie». Dieses Papier entstand im Rahmen unseres fünften DSI Strategy Lab – mit spannenden Impulsen und Perspektiven für die kommenden Jahre.
Sind wir fit für Quantencomputing?
Quantentechnologien wecken grosse Hoffnungen. Auch wenn nicht alle Erwartungen erfüllt werden können, sollte die Schweiz im internationalen Technologie-Wettlauf vorne mit dabei zu sein.
Quantencomputer und Quantenkommunikation sind häufig genannte Schlagworte, wenn es um die wichtigsten technologischen Zukunftsthemen geht. Mittlerweile sind viele grosse Player wie Google, IBM und Microsoft stark investiert, diese neuen Technologien voranzutreiben.
Die Firmen schaffen dabei nicht nur eine neue Art Computer, sondern bauen Systeme auf, die hinsichtlich ihrer Komplexität alles, was es bisher an Rechentechnik gab, in den Schatten stellen. Noch haben sie nicht demonstriert, dass diese Maschinen einen Vorteil bringen, also nützliche Rechnungen ausführen, für die herkömmliche Computer endlos lange bräuchten. Aber die Hoffnung, dass dies in den nächsten Jahren möglich sein wird, ist weit verbreitet. Schon jetzt sind die Systeme aber so komplex, dass sie die typischen Skalen der Forschung an Universitäten und nationalen Forschungszentren an ihre Grenzen bringen. Das ist einer der Gründe, warum Forschungsnationen jetzt klare Strategien für Quantentechnologien brauchen. Die EU hat sich jüngst solch eine Strategie gegeben. Die Schweiz hat noch keine.
Potenzial in Quantensensorik
Der Hype um Quantencomputing stellt bisweilen andere Quantentechnologien in den Schatten, die aber ebenso viel disruptives Potenzial haben. Insbesondere Quantensensorik bekommt wenig Aufmerksamkeit. Dabei geht es um hochsensitive Messtechnik, die zum Beispiel Geologie, Medizin und Navigation revolutionieren könnte.
Quantensensoren können auf verschiedenen Funktionsprinzipien beruhen, haben aber gemeinsam, dass sie quantenmechanische Effekte wie Superposition oder Verschränkung nutzen. Bahnbrechende Entwicklungen können hier schon in kleinerem Massstab stattfinden, was dem typischen, in der Schweiz etablierten Innovationsstrang von akademischer Forschung zu Spin-offs oder Startups entgegenkommt. In der Tat ist die Schweiz schon sehr erfolgreich im Bereich Quantensensorik, sollte dieses Potenzial aber weiter ausbauen. Der Bau hochgenauer Messapparate ist beinahe eine Verpflichtung, die sich aus dem Image der «Uhrennation» ergibt. Beispielsweise wäre die Entwicklung einer Schweizer optischen Atomuhr ein wichtiger Schritt zum Erhalt unserer Wettbewerbsfähigkeit.
Knacken von Verschlüsselungen
Eine viel konkretere Verpflichtung zum Handeln ergibt sich aber aus der Furcht vor den Fähigkeiten zukünftiger Quantencomputer. Obwohl wir noch nicht so recht wissen, für welche Rechenaufgaben sie den grössten Nutzen bringen werden, steht eines fest: Sie werden bisher gängige Datenverschlüsselungen knacken können. Obwohl Quantencomputer mit dieser Fähigkeit noch einige Jahre auf sich warten lassen werden, geht die Sorge um, dass feindliche Akteure bereits jetzt verschlüsselte Daten sammeln, um sie später zu lesen.
Prinzipiell ist dieses Problem sehr einfach zu lösen: Es sind Verschlüsslungsalgorithmen bekannt, die auch für Quantencomputer schwer zu knacken sind. Diese als post-quantum secure eingestuften Algorithmen werden schon routinemässig bei Diensten wie Whatsapp benutzt. Die Umstellung der Verschlüsselung in anderen Bereichen – wie dem Finanzsektor oder der öffentlichen Verwaltung – geht aber nur schleppend voran. Hier ist ein grösseres Tempo einzufordern.
Sichere Kommunikation nicht gefragt
Ein weiterer Bereich, in dem bestehende technische Möglichkeiten und deren Adaption auseinanderklaffen, ist die sichere Kommunikation durch das Verteilen von Quantenschlüsseln. Dabei werden quantenphysikalische Prinzipien ausgenutzt, um abhörsichere Kommunikation zu ermöglichen und diese für das Verteilen von «Schlüsseln» zu nutzen. Die Initialnachrichten zur Identifikation der Kommunikationspartner wird geschützt, so dass anschliessend eine sichere Kommunikation auf «klassischen» Kanälen möglich ist.
Diese Methode, die Qunatum Key Distribution, bedarf spezieller Hardware, die längst kommerziell erhältlich ist – etwa vom Schweizer Unternehmen ID Quantique. Noch ist Quantum Key Distribution aber eine Nischenanwendung. Dies vor allem weil Unternehmen die Gefahr durch böswillige Akteure nicht hoch genug einstufen, um den beschwerlichen Schritt hin zu einer neuen Technologie zu machen. Die Swisscom hat indes demonstriert, dass verschlüsselte Quanteninformationen in den bestehenden Glasfasernetzen übertragbar sind.
Wir sehen aus diesen Schlaglichtern: Quantentechnologien sind in einigen Bereichen bereits Realität, in anderen werfen sie ihre Schatten voraus und fordern ein technologisches Umdenken ein. Um ihr Potenzial optimal zu nutzen, müssen wir jetzt strategisch entscheiden, informieren, incentivieren und investieren.
Der Autor
Titus Neupert ist Professor für theoretische Physik an der Universität Zürich und Mitglied des Direktoriums der Digital Society Initiative (DSI). Seine Forschungsinteressen sind in den Bereichen Quantenmaterialien und Quantentechnologien sowie dem Einsatz von maschinellem Lernen in der Physik.
DSI Insights
In der Kolumnen-Serie «DSI Insights» stellt die DSI ihr Fachwissen und ihre Interdisziplinarität zu Themen der digitalen Transformation unter Beweis. Die Kolumnen von Autor:innen aus dem DSI Netzwerk erscheinen im Branchenmagazin «Inside IT» und auf den Kommunikationskanälen der Universität Zürich. Hier finden Sie alle DSI Insights seit 2016.
DSI Strategy Lab
Im Rahmen des fünften Strategy Lab der DSI wurde ein Positionspapier erarbeitet, das die hier dargelegten Gedanken im Detail motiviert und konkrete Handlungsempfehlungen ausspricht. Hier finden Sie das Papier und weitere Informationen zum Projekt.