Extra · Computerwissen · Lektion X4
Quantencomputing: was es ist und was es für die Zukunft bedeutet
Kaum ein Technikthema wird so widersprüchlich beschrieben wie Quantencomputing. Mal soll es alle Probleme der Menschheit lösen, mal ist es angeblich reiner Hype. Die Wahrheit liegt dazwischen – und für Webentwickler gibt es einen ganz praktischen Grund, sich schon heute damit zu beschäftigen: die Verschlüsselung.
Lernziele
- Du kannst erklären, was ein Qubit von einem Bit unterscheidet.
- Du kennst realistische Einsatzfelder und Grenzen.
- Du verstehst, warum Post-Quanten-Kryptografie schon heute ein Thema ist.
Bits und Qubits
Ein klassischer Computer rechnet mit Bits, die entweder 0 oder 1 sind. Ein Quantencomputer nutzt Qubits. Ein Qubit kann sich in einer Überlagerung befinden – vereinfacht gesagt in einem Zustand, der beide Möglichkeiten mit bestimmten Gewichten enthält. Erst bei der Messung entscheidet es sich für 0 oder 1.
Hinzu kommt die Verschränkung: Mehrere Qubits können so miteinander verbunden sein, dass sich ihr Zustand nur gemeinsam beschreiben lässt. Quantenalgorithmen nutzen diese Effekte, um bestimmte Rechenwege so zu überlagern, dass sich falsche Ergebnisse gegenseitig auslöschen und richtige verstärken.
Wofür Quantencomputer taugen könnten
Die vielversprechendsten Einsatzfelder sind Aufgaben, die selbst quantenmechanisch sind oder eine besondere mathematische Struktur haben:
- Simulation von Molekülen und Materialien, etwa für Medikamente, Batterien oder Katalysatoren.
- Bestimmte Optimierungsprobleme, wobei hier noch offen ist, wie groß der Vorteil in der Praxis wird.
- Faktorisierung großer Zahlen – und damit das Brechen heute verbreiteter Verschlüsselung.
Der Stand der Technik
Heutige Quantencomputer arbeiten mit einer begrenzten Zahl von Qubits, die sehr empfindlich auf Störungen reagieren. Viele Bauarten müssen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Fehler entstehen ständig und müssen durch Fehlerkorrektur aufgefangen werden, für die man viele physikalische Qubits pro nutzbarem, „logischem“ Qubit braucht. Große Unternehmen und Forschungseinrichtungen machen Fortschritte, doch ein Quantencomputer, der heute übliche Verschlüsselung tatsächlich bricht, existiert nach öffentlichem Kenntnisstand noch nicht. Wann es so weit ist, lässt sich seriös nicht sagen.
Warum das Thema trotzdem schon heute drängt
Der Mathematiker Peter Shor veröffentlichte 1994 einen Algorithmus, mit dem ein ausreichend großer Quantencomputer große Zahlen effizient in ihre Primfaktoren zerlegen könnte. Darauf beruht die Sicherheit von RSA; eine verwandte Variante bedroht auch Verfahren auf Basis elliptischer Kurven. Beide stecken in fast jeder HTTPS-Verbindung.
Das Problem heißt „Harvest now, decrypt later“: Angreifer können verschlüsselten Datenverkehr schon heute aufzeichnen und ihn entschlüsseln, sobald ein geeigneter Quantencomputer verfügbar ist. Für Daten, die viele Jahre vertraulich bleiben müssen – Gesundheitsdaten, Geschäftsgeheimnisse, Behördenkommunikation – ist das ein reales Risiko.
Post-Quanten-Kryptografie
Die Antwort sind neue Verfahren, die auch gegen Quantencomputer als sicher gelten, aber auf ganz normalen Rechnern laufen. Die US-Standardisierungsbehörde NIST hat im August 2024 die ersten Standards veröffentlicht: ML-KEM für den Schlüsselaustausch sowie ML-DSA und SLH-DSA für digitale Signaturen. Große Browser und Infrastrukturanbieter setzen für den Schlüsselaustausch bereits hybride Verfahren ein, die ein klassisches und ein Post-Quanten-Verfahren kombinieren. Auch das BSI empfiehlt, die Umstellung frühzeitig zu planen.
Symmetrische Verfahren wie AES sind weniger betroffen. Hier gilt: Längere Schlüssel, etwa AES-256, bieten ausreichend Reserve.
Was das für PHP-Entwickler bedeutet
Die gute Nachricht: Den größten Teil der Arbeit erledigen andere. Die Verschlüsselung von HTTPS übernehmen Webserver, TLS-Bibliotheken und Browser; mit deren Updates kommt die Post-Quanten-Unterstützung. Deine Aufgaben sind überschaubar:
- Aktuell bleiben. Betriebssystem, Webserver, OpenSSL und PHP regelmäßig aktualisieren – siehe PHP-Versionen und Support.
- Keine eigene Kryptografie bauen. Nutze etablierte Bibliotheken wie die in PHP eingebaute Sodium-Erweiterung statt selbst geschriebener Verfahren.
- Krypto-Agilität. Verfahren und Schlüssellängen sollten sich per Konfiguration austauschen lassen, statt fest im Code zu stehen.
- Passwörter bleiben mit
password_hash()gut geschützt; die Details stehen in den Sicherheitsgrundlagen.
Quantencomputing ist damit weniger ein Grund zur Sorge als ein weiteres Argument für saubere, aktuelle Systeme. Wie sich die Rechentechnik bis hierher entwickelt hat, zeigt die Evolution des Personal Computers. Weiterführend: der Wikipedia-Artikel zum Quantencomputer.
Selbstcheck
Was unterscheidet ein Qubit von einem Bit?
Ein Qubit kann sich bis zur Messung in einer Überlagerung von 0 und 1 befinden.
Was bedeutet „Harvest now, decrypt later“?
Heute aufgezeichnete verschlüsselte Daten werden später mit einem Quantencomputer entschlüsselt.
Welche Post-Quanten-Standards hat NIST 2024 veröffentlicht?
ML-KEM für den Schlüsselaustausch, ML-DSA und SLH-DSA für Signaturen.