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Netzwoche 9/2019

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44 Technology

44 Technology Titelgeschichte Nicht nur an Hardware, sondern auch an Software mangelt es Die Fehlerquote ist eines der Hindernisse, die Quantencomputern noch im Weg stehen. Ein Weiteres ist der Mangel an Programmierern, die sich darauf verstehen, Algorithmen für die nächste Generation der Superrechner zu schreiben. Im Moment werden noch viele Konzepte schlicht von klassischen Computern auf den Quantencomputer übertragen, wie Doktorand Panagiotis Barkoutsos von IBM erklärt. Doch um das volle Potenzial der neuen Rechner nutzen zu können, sollten die Menschen anfangen, ihre Ideen spezifisch für Quantencomputer zu formulieren, so Barkoutsos. Deshalb habe er auch einen Kleber mit der Aufschrift «Du denkst zu klassisch» auf seinem Laptop angebracht. Um mehr Personen an die Materie heranzuführen, habe IBM vor einigen Jahren das Projekt «IBM Q Experience» gestartet. Über eine Webseite erhalten Interessierte so die Möglichkeit, eigene Programme auf Quantencomputern von 2 bis 5 Qubits laufen zu lassen. Ausserdem liefert das Unternehmen Informationen und Tools. Damit soll die Bekanntheit, das Interesse und das Know-how für die nächste Computergeneration gefördert werden, wie Barkoutsos sagt. Wootton verfolgt einen anderen Ansatz, um die Bevölkerung mit der Thematik vertraut zu machen. Schon bevor er für IBM arbeitete, suchte er nach Wegen, um die neue Technologie der Öffentlichkeit näherzubringen, wie er erzählt. Er veröffentlichte 2016 ein Computerspiel, welches das Verständnis für die Funktionsweise des Quantencomputers verbessern sollte. Als IBM dann die «IBM Q Experience» startete, sei für ihn schnell klar gewesen, dass er auch Games für den Quantencomputer selbst entwickeln möchte. Mit seinen Produkten wolle er nicht nur die Bevölkerung mit dem Thema vertraut machen. Auch Programmierern soll ein Beispiel und eine Basis dafür gegeben werden, wie sie etwas auf dem Quantencomputer coden könnten. Aber so unterhaltsam diese Spiele auch sind, entwickeln Forscher auf dem Quantencomputer im Moment nicht nur Games. Anwendungsbeispiele des Quantencomputers Ivano Tavernelli, Research Scientist bei IBM, setzt sich mit Anwendungsmöglichkeiten des Quantencomputers im Bereich Chemie auseinander. Er sagt, dass der neue Superrechner etwa im Materialdesign eine wertvolle Rolle spielen könne. Für klassische Computer würden die Berechnungen von Molekülen mit jedem Elektron exponentiell schwieriger. Mit dem Quantencomputer könnten aber problemlos grössere Molekülstrukturen berechnet werden, erklärt Tavernelli. So könne ein Unternehmen effizienter neue Materialien entwickeln, Mischverhältnisse optimieren oder herausfinden, ob es sich überhaupt lohne, ein Material zu produzieren. Die Algorithmen zur Berechnung seien schon geschrieben, es fehle nur noch die Hardware. Ein weiteres Anwendungsbeispiel liefert Stefan Woerner, ebenfalls Research Scientist bei IBM. Er setzt sich mit dem Bereich Finanzen auseinander. So könnte eine künstliche Intelligenz auf einem Quantencomputer eine Zweitmeinung zu einer Bewertung einer Ratingagentur liefern. Damit würden Fehler vermieden und mögliche Befangenheiten umgangen. Weiter könnte die neue Generation Supercomputer für die Pricing- und Risk-Analyse eingesetzt werden. Heute wisse man teilsweise erst Tage später, wo rückblickend die wirtschaftlichen Risiken zu einem bestimmten Zeitpunkt gelegen hätten. Das liege daran, dass die Berechnung und Simulation der wirtschaftlichen Entwicklungen manchmal Tage bis Wochen dauere. Mit einem Quantencomputer wird es laut Woerner möglich sein, Entwicklungen im Markt innerhalb weniger Stunden zu simulieren und entsprechend zu reagieren. Optimierungen, Simulationen, Berechnungen riesiger Datenmengen innert kürzester Zeit, neue Arten von Games – der Superrechner könnte überall neue Möglichkeiten eröffnen, sei es in Wissenschaft, Wirtschaft oder Unterhaltung. Auch die Cybersecurity wird durch ihn mit einer ganz neuen Herausforderung konfrontiert werden. In 10 bis 20 Jahren soll der erste Quantencomputer das Licht der Welt erblicken, der die Leistungen der klassischen Computer übertrifft. Bis dahin werden Forscher und Programmierer eifrig Software schreiben und neue Anwendungsgebiete suchen. Doch wie Renato Renner, Professor für Theoretische Physik an der ETH Zürich, sagt: «Es ist wie damals, als das erste Smartphone erschienen ist. Es wird schwierig vorherzusagen, welche Anwendungen das Gerät ermöglichen wird.» Vorerst heisst es also abwarten. Systeme von IBM Q. Artikel online: www.netzwoche.ch ▸ Webcode DPF8_138120 09 / 2019 www.netzwoche.ch © netzmedien ag

Technology Nachgefragt 45 « Es gibt noch kaum Möglichkeiten, sich konkret zu schützen » Der Quantencomputer verspricht viele Chancen, bringt aber auch Risiken. Laut Renato Renner, Professor für Theoretische Physik an der ETH Zürich, können heutige Kryptoverfahren der Rechnungsstärke des Supercomputers nicht widerstehen. Er spricht über die Risiken und die Cybersicherheit der Zukunft. Interview: Kevin Fischer Wo stehen wir heute bei den Quantencomputern? Renato Renner: Ich vergleiche die momentane Situation gerne mit dem Stand der herkömmlichen Computertechnik zur Zeit der Röhrencomputer. Es war damals klar, dass man hunderte oder tausende Röhren zusammensetzen kann, doch irgendwann würde man an eine Grenze stossen, rein schon aus Platzgründen. Durch die Erfindung des Transistors wurde dieses Problem dann gelöst. Im Quantencomputing existieren heute, analog zu den Röhren, die elementaren Bausteine, die Qubits. Wir suchen allerdings noch nach einer Lösung, um diese Bausteine in vernünftige Dimensionen zu packen, damit eine Skalierung möglich wird. Bild: ETH Zürich D-PHYS Heidi Hostettler Welche Sicherheitsrisiken werden Quantencomputer mit sich bringen? Ironischerweise befindet sich unter den wenigen bereits existierenden Programmen, welche die Möglichkeiten eines Quantencomputers voll nutzen, eine Software zum Knacken von kryptografischen Verfahren. Es handelt sich hier um den sogenannten «Shor-Algorithmus». Er ist fähig, sehr grosse Zahlen in Faktoren zu zerlegen. Die Sicherheit der heute üblichen Public-Key-Kryptoverfahren basiert jedoch genau auf der Annahme, dass dies nicht möglich ist. Diese Kryptoverfahren können somit mit dem Shor-Algorithmus gebrochen werden. Dies würde auch viel genutzte Anwendungen unsicher machen, wie zum Beispiel E-Banking. Alles, was dazu fehlt, ist der entsprechende Computer. Wann wird dieser Computer bereit sein? Vorsichtig geschätzt wird es Quantencomputer, auf denen man den Shor-Algorithmus laufen lassen kann, erst in etwa 20 Jahren geben. Dennoch sollte man die verbleibende Zeit bis dahin nicht überschätzen. Die Umstellung der kryptografischen Infrastrukturen auf neue Sicherheitsverfahren ist ein aufwändiger Prozess. Bis auch jedes Gerät up to date ist, könnte bis zu einem Jahrzehnt vergehen. Wenn wir also davon ausgehen, dass die Schätzung stimmt, sollten wir bereits heute anfangen, Gegenmassnahmen vorzubereiten. In diesem Sinn ist der Quantencomputer, obwohl er noch nicht existiert, bereits heute eine Sicherheitsbedrohung. Was tut man denn bereits gegen diese Bedrohung? Im Moment forscht man an neuen kryptografischen Verfahren, die sicher vor Attacken mit Quantencomputern sind. Zu diesem Zweck muss man «schwierige» mathematische Probleme identifizieren, das heisst solche, die kein Computer lösen kann, auch kein Quantencomputer. Ein solches Problem war das Faktorisieren von Zahlen, zumindest bis zum Zeitpunkt, wo der Shor-Algorithmus entdeckt worden ist. Bis es so weit ist: Wie können sich Unternehmen davor wappnen? Es gibt noch kaum Möglichkeiten, sich konkret zu schützen. Was man heute tun kann, ist die Forschung und die Entwicklung neuer Verschlüsselungsverfahren zu fördern, oder zumindest zu verfolgen. Erst wenn diese Verfahren getestet und standardisiert worden sind, wird man diese sinnvoll einsetzen können. Für Unternehmen bleibt ausser Abwarten also im Moment nicht viel zu tun. « Unter den wenigen bereits existierenden Programmen, welche die Möglichkeiten eines Quantencomputers voll nutzen, gehört eine Software zum Knacken von kryptografischen Verfahren. » Renato Renner, Professor der theoretiscen Physik, ETH Zürich www.netzwoche.ch © netzmedien ag 09 / 2019

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