Quantencomputer: Schlüssel knacken mit Quanten-Diamanten

Re:publica 2014

Quantencomputer sind noch sehr weit davon entfernt, gängige kryptographische Schlüssel zu knacken. Es könnte aber bald so weit sein, sagte der Physiker Nicolas Wöhrl. Er will Quantencomputer in selbst gezüchteten Diamanten unterbringen.

8. Mai 2014 um 12:10 Uhr / Jörg Thoma

Nicolas Wöhrl züchtet Diamanten, in denen Quantencomputer untergebracht werden können. Bild: Fabian Hamacher/Golem.de

Nicolas Wöhrl von der Universität Duisburg-Essen züchtet Diamanten. Darin sollen die Quantenbits oder Qubits eines Quantencomputers untergebracht werden. Diamanten seien für die Forschung im Bereich Quantencomputer ein vielversprechendes Material, sagt er. Denn die darin angeordneten Kohlenstoffatome seien so stabil, dass sie die Qubits kaum stören und somit die Dekohärenz der Quantensysteme möglichst gering halten.

Nicolas Wöhrl über Quantencomputer (02:59)

Bisher konnten diese Quantensysteme nur auf supraleitendem Material oder im Vakuum beim absoluten Gefrierpunkt so stabil gehalten werden, dass sie für Berechnungen genutzt werden konnten. Damit machten Quantencomputer zwar einen großen Schritt in Richtung Gebrauchstauglichkeit, bis es so weit sei, dauere es aber noch mehrere Jahre, sagt Wöhrl.

Quantensysteme in Unreinheiten

Im August 2013 konnten Forscher an der Humboldt-Universität Berlin ein Quantensystem in Unreinheiten eines Diamanten erzeugen. Sie beschossen dazu den Diamanten mit Stickstoffatomen aus Ionenkanonen, die dann die Kohlenstoffatome ersetzten. Dabei wurden Kohlenstoffatome mit einem Stickstoffatom und zwei benachbarten leeren Stellen ersetzt – sogenannte Quantenpunkte.

Kurz darauf gelang es Forschern am 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart, ein Quantensystem aus drei Qubits in einem Diamanten zu erzeugen und weitgehend unter Kontrolle zu bringen. Dabei wurden drei Spins von Atomkernen mit einem Elektronenspin verschränkt. Zwei der Spins stammen von dem Stickstoffatom und dem danebenliegenden Elektron. Ein weiteres fanden die Forscher in einem benachbarten, aber seltenen C-13 Kohlenstoffatom und bildeten daraus das Quantenelement.

Stabile Umgebung für Qubits

Die umgebenen Kohlenstoffatome sorgen dafür, dass die Qubits möglichst ungestört und so weitgehend stabil gehalten werden. Denn anders als Transistoren streben Quantensysteme immer einen Ruhezustand an und müssen wiederholt aufgefrischt werden. In Stuttgart entwickelten die Forscher ein entsprechendes Fehlerkorrektursystem, das diese Dekohärenz des Quantensystems ausgleicht.

Das Quantensystem in den Diamanten wird dann mit Mikrowellen beschossen, um die Spins der Elektronen zu verändern. Mit einem rot fluoreszierenden Laser konnten dann die beiden möglichen Zustände der Spins bestimmen.

Materialien für Quantencomputer

Es gibt auch andere Materialien, in denen solche Quantensysteme erzeugt werden können, etwa Phosphor in Silicium 19 oder in Siliciumcarbid 11. Selbst mit Ionen seltener Erden experimentieren Forscher gegenwärtig. Die Experimente mit Diamanten seien jedoch vielversprechend, sagte Wöhrl, der sich auf die Materialforschung und Werkstofftechnik spezialisiert hat.

Wöhrl züchtet deshalb Quanten-Diamanten. Das Verfahren nennt sich chemische Gasphasen-Abscheidung (chemical vapour deposition, CVD). Ein Gasgemisch aus Methan und Wasserstoff wird über ein Substrat geleitet. Dort wird es mit Mikrowellen bestrahlt und erhitzt. Dabei entsteht ein Plasma, aus dem sich Kohlenstoff auf einem Substrat als Diamant absetzt.

Tausende Qubits für Schlüsselknacken

Bis Quantencomputer aber so weit seien, dass sie für komplexe Rechenaufgaben wie das Entschlüsseln genutzt werden könnten, werde es noch Jahre dauern, sagt Wöhrl. Dafür müsste ein Quantencomputer aus ein paar hundert oder sogar tausend Qubits bestehen. Schätzungen zufolge müssten es 4.000 Qubits sein, genau weiß das aber noch niemand. Die Universität Innsbruck hält derzeit den Rekord mit einem Quantenrechner aus 14 Qubits.

Sollten sie aber einmal funktionieren, sind sämtliche herkömmlichen asymetrischen Verschlüsselungen allesamt hinfällig. Andere sind einfacher zu knacken. Denn Quantencomputer könnten Rechenaufgaben wie das Faktorisieren in wenigen Minuten lösen, für die ein herkömmlicher Rechner so lange brauche, wie das Universum bestehe, sagt Wöhrl. Während aktuelle Rechner sämtliche Lösungswege nacheinander durchrechnen müssen, kann ein Quantencomputer mehrere Aufgaben parallel abarbeiten.

Quantenkryptographie wird bereits erforscht

Noch bevor die ersten erfolgreichen Experimente mit Quantencomputern absolviert wurden, gab es bereits entsprechende Algorithmen, die auf der Theorie basierten. Die Quantenkryptographie beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahren damit, die Verschlüsselung für Quantencomputer anzupassen.

Dass die NSA mit einem im Zuge der Snowden-Enthüllungen bekanntgewordenen Millionenprojekt weiter sei als die Forschung in öffentlichen Einrichtungen, hält Wöhrl für möglich, aber unwahrscheinlich. Denn der Geheimdienst verlasse sich auch auf die Forschung anderer.

Für Datenbanken, aber nicht für Word

Auch dass in geraumer Zeit Microsoft Word auf einem Quanten-Desktoprechner läuft, hält Wöhrl für unwahrscheinlich und gegenwärtig für unsinnig. Quantencomputer seien eher für Forschungszwecke interessant, etwa bei der Suche nach Wirkstoffmolekülen in der Pharmaindustrie, für die aufwendige Computersimulationen benötigt werden. Auch für das Durchsuchen von riesigen Datenbanken – sprich Big Data – sind Quantencomputer interessant.

Wöhrl informiert regelmäßig in seinem Blog Methodisch Inkorrekt und in Podcasts über die Neuigkeiten in der Forschung.