Quanten-Computer und Sicherheit für das Land

Von Geld und Armee bis zu Essen und Energie: Quanten-Computer öffnen einen neuen Weg. Sie können Probleme lösen, die normale Computer nicht lösen können.

Viele Länder mit starker Wissenschaft geben viel Geld für Quanten-Computer aus. Warum? Weil Quanten-Computer Probleme lösen können, die für die Sicherheit eines Landes sehr wichtig sind.

Zum Beispiel können Quanten-Computer Codes brechen. Diese Codes schützen heute Banken, digitale Systeme und die Armee in der ganzen Welt.

Geld und Armee: Das Problem mit den Codes

Quanten-Computer können mehr als normale Computer. Sie können die Codes brechen, die heute Banken, Online-Shops und Sicherheitssysteme schützen. Diese Systeme nutzen oft den RSA-Algorithmus.

Der RSA-Algorithmus ist sehr kompliziert, aber die Idee ist einfach: Man nimmt zwei sehr große Primzahlen und multipliziert sie. Das ist leicht. Aber der Weg zurück ist sehr schwer: Man kennt nur das Ergebnis und muss die zwei Zahlen finden.

Ein Beispiel: Ein Kind in der Grundschule kann 389 mal 431 rechnen. Das Ergebnis ist 167659. Aber die Frage zurück ist schwer: Welche zwei Primzahlen geben zusammen 167659? Selbst ein Student ohne Mathematik kann das mit einem normalen Computer oft nicht finden.

In diesem Beispiel hat das Ergebnis nur sechs Stellen. Aber wichtige Systeme in der Welt nutzen RSA-Schlüssel mit vielen hundert Stellen. Da ist der Weg zurück fast unmöglich.

Zum Beispiel: Wenn das Ergebnis 174 Stellen hat, braucht ein sehr starker Supercomputer 43 Tage, um die zwei Zahlen zu finden. Wenn es 617 Stellen hat, also ein RSA-Schlüssel mit 2048 Bit, braucht man mehr als dreihundert Tausend Jahre. So verstehen wir: Mit einem normalen Computer kann man große RSA-Schlüssel nicht brechen.

Der Algorithmus von Peter Shor

Im Jahr 1994 baut Peter Shor einen Quanten-Algorithmus. Er arbeitet damals bei Bell Labs. Heute ist er Professor für Mathematik am MIT. Er zeigt: Sein Algorithmus kann RSA-Codes mit 2048 Bit in nur wenigen Dutzend Tagen brechen.

Später rechnen Mathematiker vom MIT: Mit zwanzig Millionen Qubits braucht man nur acht Stunden. Eine neue Studie von Google Quantum AI sagt: Ein RSA-Schlüssel mit 2048 Bit kann in weniger als einer Woche gebrochen werden. Man braucht dafür einen Quanten-Computer mit weniger als einer Million Qubits, auch wenn es noch Fehler gibt.

Ein Quanten-Computer arbeitet mit Qubits. Ein normales Bit ist null oder eins. Ein Qubit kann in einem besonderen Zustand sein. Es kann beide Zustände zur gleichen Zeit haben. Man nennt das Superposition. Wenn es mehr Qubits gibt, wächst die Kraft des Systems sehr schnell. So kann es Probleme lösen, bei denen normale Computer keine Chance haben.

Der Algorithmus von Peter Shor findet die zwei Primzahlen aus dem Ergebnis super schnell. In der Theorie kann ein Quanten-Computer alle Codes von allen Banken und alle geheimen Dokumente von allen Ländern brechen. Wissenschaftler von Google sagen auch: Digitales Geld mit einem Wert von vielen Billionen Dollar kann in Gefahr sein.

Zum Glück gibt es in der Praxis so einen Computer noch nicht. Vielleicht dauert es noch etwa zehn Jahre. Deshalb geben nicht nur Banken, sondern auch viele Regierungen sehr viel Geld für Forschung an Quanten-Computern. Wer Quanten-Computer versteht, kann sich gegen Quanten-Hacker schützen. Und man kann neue sichere Systeme und neues Geld bauen.

Codes sind Schutz und Waffe

Wer Codes gut versteht, kann sich selbst schützen. Aber man kann Codes auch wie eine gefährliche Waffe nutzen. Ein Beispiel ist der Zweite Weltkrieg. Die Alliierten haben die deutschen Codes gebrochen und so den Krieg verändert.

Damals nutzt die deutsche Armee die Enigma-Maschinen. Sie machen geheime Befehle zu Codes und schicken sie an viele Gruppen an der Front. Die Enigma ist damals sehr stark. Normalerweise brauchen die Alliierten viele Monate, um einen Code zu lesen. Bei den deutschen Gruppen an der Front kann die gleiche Enigma-Maschine den Befehl sofort wieder lesbar machen.

So kann Deutschland viele Gruppen für Überraschungs-Angriffe nutzen. Die Alliierten verlieren viel und haben viele Schäden. Erst später bauen die Alliierten die ersten elektronischen Computer. Mit diesen Computern brechen sie die Codes. Dann kennen sie die Pläne und können schnell reagieren. Die deutsche Armee ist überrascht und verliert viele wichtige Kämpfe. Deshalb sagen viele Historiker: Das Brechen der Codes hat den Zweiten Weltkrieg verändert.

Quanten-Computer können nicht nur Codes brechen oder Informationen schützen. Sie können auch die Natur nachmachen, wo normale Computer fast keine Chance haben. Das gibt Hoffnung für große Probleme der Menschheit, von Essen bis Energie.

Essen für alle: Das Problem mit Dünger

Jedes Jahr werden etwa einhundertzwanzig Millionen Tonnen Stickstoff-Dünger gemacht. Ohne diesen Dünger werden mehr als zwei Milliarden Menschen großen Hunger haben.

Aber um diesen Dünger zu machen, braucht man sehr viel Energie für viele hundert Milliarden Dollar. Dabei entstehen jedes Jahr etwa 1,31 Gigatonnen CO2. Das ist so viel wie die ganze Luftfahrt und der ganze Schiffsverkehr in der Welt zusammen.

Bis heute macht man Dünger mit dem Haber-Bosch-Verfahren. Der Chemiker Fritz Haber findet die Idee. Dafür bekommt er im Jahr 1918 den Nobelpreis für Chemie. Bosch macht daraus ein Verfahren für die Fabrik mit hoher Leistung. Dafür bekommt er im Jahr 1931 den Nobelpreis für Chemie.

Die chemische Reaktion für Dünger ist N 2 + 3H 2 zu 2NH 3. Sie braucht hohe Temperatur, von vierhundert bis fünfhundert Grad, und hohen Druck, zweihundert Mal mehr als normale Luft. Man nennt das zweihundert atm. Deshalb braucht man sehr viel Energie für Dünger.

In der Natur gibt es einen anderen Prozess. Er kann Dünger bei normaler Temperatur und normalem Druck machen. Aber er ist sehr langsam und hat nur eine sehr kleine Leistung. Wissenschaftler glauben: Wenn wir diesen Prozess in der Natur gut verstehen, können wir Dünger mit viel weniger Energie machen als mit Haber-Bosch.

Aber schon sechzehn Elektronen in den Atomen machen das Problem zu schwer für jeden normalen Supercomputer. Das System hat viele Milliarden Quanten-Zustände. Man kann es nicht genau rechnen. Aber ein kleiner Quanten-Simulator kann dieses Problem vielleicht lösen.