Mit dem Quantencomputer kommt ein neuer Typ von Computer auf uns zu, der völlig anders funktioniert als Computer, die wir kennen. Dieser neue Computer hat das Potential in den nächsten Jahren den Bereich von rechenintensiven Anwendungen im Banking / Finance Sektor nachhaltig zu verändern.

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Sind Quantencomputer ein Hype? Wenn Themen so stark gehypt werden, wie das aktuell beim Thema „Quantencomputer“ der Fall ist, lohnt es sich einen näheren Blick darauf zu werfen. Tatsächlich hat das Thema schon eine lange Geschichte: Die ersten Experimente fanden in den 1990er Jahren statt. 2001 gelang es IBM mit einem Quantencomputer die Zahl 15 in ihre Primfaktoren 3 und 5 zu zerlegen (warum das spannend genug ist, dass sogar die deutsche Bundesregierung nicht unerhebliche Mittel in das Thema Quantencomputer investiert, erfahren Sie in Abschnitt 3). Und spätestens seit Google 2019 verkündete „Quantum Supremacy“ erreicht zu haben – also mit einem Quantencomputer eine Berechnung durchgeführt zu haben, die mit einem konventionellen Computer unmöglich ist – sind Quantencomputer in aller Munde.

Wir geben in diesem Artikel finden vier verständliche Antworten auf Fragen, die sie sich mit Sicherheit auch schon gestellt haben. Keine Angst: wir werden in diesem Artikel die wichtigsten Fakten erklären, ohne in die Untiefen der Quantenphysik einzutauchen.

Innenleben des IBM Quantencomputers ©IBM, CC BY-ND 2.0

Innenleben-IBM-Quantencomputer

Innenleben des IBM Quantencomputers ©IBM; CC BY-ND 2.0

1. Was ist eigentlich ein Quantencomputer?

Ein Quantencomputer ist eine völlig neue Form einen Computer zu bauen. Sie hat nichts mehr mit den herkömmlichen Computern auf Transistorbasis gemein, die wir kennen und mit denen wir arbeiten und große Teile unserer Freizeit verbringen. Es ist wie bei einer Kerze und einer Glühbirne. Beide erzeugen Licht, funktionieren aber völlig verschieden. Durch die Verbesserung einer Kerze würde man niemals zu einer Glühbirne gelangen. Wir haben es mit einer echten disruptiven Innovation zu tun.

Quantencomputer führen Berechnungen mit Hilfe von quantenphysikalischen Effekten aus. Sie sind die Antwort darauf, dass Transistoren auf konventionellen Platinen immer kleiner gebaut werden konnten. An einem Punkt war klar: Sie würden so klein werden, dass sie in einen Bereich kommen, in dem quantenphysikalische Effekte (Superposition, Verschränkung, Tunneln etc.) die Berechnungen beeinflussen und zu erhöhten Fehlerquoten führen würden. Diese physikalische Grenze kann nicht umgangen werden. Aber man kann diese Störeffekte nutzen und auf deren Basis eine neue Art von Computern bauen: Das sind Quantencomputer.

2. Warum werden Quantencomputer so stark gekühlt?

Die Hardware von Quantencomputern funktioniert vollkommen anders und ist nicht vergleichbar mit konventionellen Computern. Quantencomputer sind probabilistisch. Das heißt bei einer bestimmten Rechenaufgabe werden unterschiedliche Ergebnisse herauskommen. Das klingt verrückt, ist aber nach den Prinzipien der Quantenmechanik erwartbar. Abhängig davon wie gut der Quantencomputer gebaut ist, lässt sich mehr oder weniger gut das richtige Ergebnis mit statistischen Mitteln erkennen. Damit das richtig gut funktioniert, ist die Fehlerkontrolle einer der wichtigsten Aspekte von Quantencomputern. Um die Fehlerquote zu reduzieren, wird der Computer bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt, also bis minus 273 Grad Celsius. Denn die Fehler von Quantencomputern entstehen durch die unkontrollierte Bewegung von Teilchen (Atome, Elektronen). Diese Bewegungsenergie äußert sich in Wärme. Wird diese Energie durch Abkühlen reduziert, verringert sich diese Fehlerquelle.

Quantencomputer sind probabilistisch. Das heißt, dass bei einer bestimmten Rechenaufgabe unterschiedliche Ergebnisse herauskommen werden .

3. Sind Quantencomputer eine Gefahr für die Sicherheit von Verschlüsselung?

Oftmals ist zu hören, dass heute genutzte digitale Verschlüsselung nicht mehr sicher sei, wenn Quantencomputer mal einsatzbereit wären. Das ist zwar durchaus zutreffend – allerdings lohnt ein genauerer Blick: Es gibt einen Algorithmus für Quantencomputer („Shore-Algorithmus“), der in einem Bruchteil der Zeit im Vergleich zu konventionellen Computern Primfaktorzerlegung berechnen kann. Primfaktorzerlegung war wie eingangs beschrieben auch der erste Showcase für einen Quantencomputer. Diese Computer können hier das tun, was sie ganz besonders gut können: parallel rechnen. Während ein konventioneller Rechner bei einer Primfaktorzerlegung alle Möglichkeiten nacheinander durchprobieren muss, kann das ein Quantencomputer in hohem Maße parallelisiert – also gleichzeitig – tun.

Damit wären asymmetrische Verschlüsselungsverfahren, auf denen sehr viel Verschlüsselung heutzutage basiert, unsicher. Dennoch gibt es gegenwärtig keinen Quantencomputer, der so stark wäre, dass er in der Praxis verwendete asymmetrische Schlüssel entschlüsseln könnte. Aber das ist wohl nur eine Frage der Zeit.

Soweit der bedrohliche Teil der Geschichte. Es gibt jedoch andere Verschlüsselungskonzepte, die nicht betroffen sind, z.B. symmetrische Verschlüsselung. Zudem gibt es mit der „Postquantenkryptograhie“ ein sehr aktives Forschungsfeld. Hier wird nach mathematischen Konzepten gesucht, die sich für quantencomputerresistente Verschlüsselung einsetzen lassen. Es gibt bereits heute viele Forschungserfolge zu vermelden, so dass aller Wahrscheinlichkeit der Übergang ohne allzu große Lücken gelingen wird, wenn sich alle Beteiligten entsprechend darauf vorbereiten.

Dr. Maika Takita im Thomas J Watson Research Center Quantum Computing Lab ©Connie Zhou for IBM; CC BY-ND 2.0

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Dr. Maika Takita im Thomas J Watson Research Center IBM Quantum Lab ©Connie Zhou for IBM; CC BY-ND 2.0

4. Wo lohnt sich der Einsatz von Quantencomputern?

Die Superkraft von Quantencomputern ist es, ganz viele Berechnungen parallel ausführen zu können. Darin besteht der große Vorteil gegenüber konventionellen Computern, die das nur ein bisschen und mit Hilfe von Tricks können. Daraus folgt: Quantencomputer sind überall dort richtig gut wo Berechnungen parallel durchgeführt werden können. Das trifft auf die Felder Modellierung, Simulation, Optimierung oder KI in besonderem Maße zu. Solche Berechnungen werden sehr schnell komplex und sind mit Unsicherheiten behaftet, so dass sehr viel Rechenpower notwendig ist. Der perfekte Job für einen Quantencomputer!

Besonders viel Potential gibt es im Bereich Banking / Finance bei der Risikoanalyse, Portfoliooptimierung, der Simulation von Märkten oder der Kreditbewertung.

Fazit

Quantencomputer versprechen viel Potential in den nächsten Jahren und Jahrzehnten, das allerdings noch eingelöst werden muss. Fakt ist: Noch verdient kein Nutzer mit Quantencomputern wirklich Geld. Aber da sich damit Probleme lösen lassen, die mit konventionellen Computern nicht gelöst werden können, werden sie nicht wieder verschwinden. Aktuell befinden wir uns in einer Phase der praxisorientierten Grundlagenforschung, in der die Hardwareentwickler gemeinsam mit den zukünftigen Anwendern nach Algorithmen suchen, die besonders vielversprechend sind und Hardware- und Softwareentwicklung parallel vorantreiben. Viele Banken sind hier bereits aktiv und arbeiten mit Startups und den großen Hardwareentwicklern (IBM, Microsoft, Google) zusammen, um mit den eigenen Themen dabei zu sein, wenn Quantencomputer zu echten Produktivitätsgewinnen führen werden. Daher ist es auch jetzt schon strategisch sinnvoll, sich mit den Möglichkeiten des Quantencomputings vertraut zu machen.

Das Thema ist relevant für Sie? Sie wollen mehr erfahren? Sie benötigen Informationen zu weiteren Zukunftstechnologien? Lassen Sie uns in kleiner Runde darüber reden.

Autor

Benedikt Eger
Head of Technology, Managing Director bei Unterschied & Macher. Mit mittlerweile jahrzehntelanger Expertise in der digitalen Produktentwicklung berate ich Kunden aus Legal und Finance. Mein Fokus liegt dabei immer darauf, die richtige Lösung für die aktuelle Challenge zu finden - sei es durch den Einsatz eines existierenden Produktes oder individuelle Implementierung.
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