Von Quantencomputern wird erwartet, dass sie disruptiv sind und sich möglicherweise auf viele Industriesektoren auswirken. Daher beschlossen Forscher in Großbritannien und den Niederlanden, zwei sehr unterschiedliche Quantenprobleme zu untersuchen: die Verschlüsselung von Bitcoin (einer digitalen Währung) zu knacken und das Molekül zu simulieren, das für die biologische Stickstofffixierung verantwortlich ist.
In AVS Quantum Science von AIP Publishing beschreiben die Forscher ein Tool, das sie entwickelt haben, um zu bestimmen, wie groß ein Quantencomputer sein muss, um solche Probleme zu lösen, und wie lange es dauern wird.
„Der Großteil der bestehenden Arbeiten in diesem Bereich konzentriert sich auf eine bestimmte Hardwareplattform, supraleitende Geräte, wie die, auf die IBM und Google hinarbeiten“, sagte Mark Webber von der University of Sussex. „Verschiedene Hardwareplattformen unterscheiden sich stark in wichtigen Hardwarespezifikationen, wie z. B. der Betriebsrate und der Qualität der Kontrolle der Qubits (Quantenbits).“
Viele der vielversprechendsten Anwendungsfälle für Quantenvorteile erfordern einen fehlerkorrigierten Quantencomputer. Die Fehlerkorrektur ermöglicht die Ausführung längerer Algorithmen, indem sie inhärente Fehler im Quantencomputer kompensiert, geht jedoch auf Kosten von mehr physischen Qubits.
Stickstoff aus der Luft zu ziehen, um Ammoniak für Düngemittel herzustellen, ist extrem energieintensiv, und Verbesserungen des Prozesses könnten sich sowohl auf die weltweite Nahrungsmittelknappheit als auch auf die Klimakrise auswirken. Die Simulation relevanter Moleküle übersteigt derzeit die Fähigkeiten selbst der schnellsten Supercomputer der Welt, sollte aber in Reichweite von Quantencomputern der nächsten Generation liegen.
Quantencomputer-Bauplan mit eingefangenen Ionen. Bildnachweis: Ion Quantum Technology Group, University of Sussex
„Unser Tool automatisiert die Berechnung des Fehlerkorrektur-Overheads als Funktion der wichtigsten Hardwarespezifikationen“, sagte Webber. „Um den Quantenalgorithmus schneller laufen zu lassen, können wir mehr Operationen parallel ausführen, indem wir mehr physische Qubits hinzufügen. Wir führen nach Bedarf zusätzliche Qubits ein, um die gewünschte Laufzeit zu erreichen, die entscheidend von der Betriebsrate auf physischer Hardwareebene abhängt.“
Die meisten Quantencomputing-Hardwareplattformen sind begrenzt, da nur Qubits direkt nebeneinander direkt interagieren können. In anderen Plattformen, wie zum Beispiel einigen Trapped-Ion-Designs, befinden sich die Qubits nicht in festen Positionen und können stattdessen physisch bewegt werden – was bedeutet, dass jedes Qubit direkt mit einer Vielzahl anderer Qubits interagieren kann.
„Wir haben untersucht, wie wir diese Fähigkeit zur Verbindung entfernter Qubits am besten nutzen können, mit dem Ziel, Probleme in kürzerer Zeit mit weniger Qubits zu lösen“, sagte Webber. „Wir müssen die Fehlerkorrekturstrategien weiter anpassen, um die Stärken der zugrunde liegenden Hardware auszunutzen, was es uns ermöglichen könnte, äußerst wirkungsvolle Probleme mit einem kleineren Quantencomputer zu lösen, als bisher angenommen wurde.“
Quantencomputer sind exponentiell leistungsfähiger darin, viele Verschlüsselungstechniken zu knacken als klassische Computer. Die Welt verwendet RSA-Verschlüsselung für den größten Teil ihrer sicheren Kommunikation. Die RSA-Verschlüsselung und die von Bitcoin verwendete (Elliptic-Curve-Digital-Signatur-Algorithmus) werden eines Tages anfällig für einen Quantencomputing-Angriff sein, aber heute könnte selbst der größte Supercomputer niemals eine ernsthafte Bedrohung darstellen.
Die Forscher schätzten die Größe, die ein Quantencomputer haben muss, um die Verschlüsselung des Bitcoin-Netzwerks innerhalb des kleinen Zeitfensters zu knacken, in dem es tatsächlich eine Bedrohung dafür darstellen würde – zwischen seiner Ankündigung und der Integration in die Blockchain. Je höher die für die Transaktion gezahlte Gebühr ist, desto kürzer wird dieses Fenster sein, aber es reicht wahrscheinlich von Minuten bis Stunden.
„Moderne Quantencomputer haben heute nur noch 50-100 Qubits“, sagt Webber. „Unser geschätzter Bedarf von 30 [Millionen] bis 300 Millionen physischen Qubits legt nahe, dass Bitcoin vorerst als sicher vor einem Quantenangriff angesehen werden sollte, aber Geräte dieser Größe gelten im Allgemeinen als erreichbar, und zukünftige Fortschritte könnten die Anforderungen weiter senken.
„Das Bitcoin-Netzwerk könnte eine ‚Hard-Fork‘ auf eine quantensichere Verschlüsselungstechnik durchführen, aber dies kann aufgrund eines erhöhten Speicherbedarfs zu Problemen bei der Netzwerkskalierung führen.“
Die Forscher betonen die Verbesserungsrate sowohl von Quantenalgorithmen als auch von Fehlerkorrekturprotokollen.
„Vor vier Jahren schätzten wir, dass ein Trapped-Ion-Gerät eine Milliarde physischer Qubits benötigen würde, um die RSA-Verschlüsselung zu knacken, was ein Gerät mit einer Fläche von 100 mal 100 Quadratmetern erforderte“, sagte Webber. „Jetzt, mit Verbesserungen auf breiter Front, könnte dies eine dramatische Reduzierung auf eine Fläche von nur 2,5 x 2,5 Quadratmetern bedeuten.“
Ein großer fehlerkorrigierter Quantencomputer sollte in der Lage sein, wichtige Probleme zu lösen, die klassische Computer nicht lösen können.
„Die Simulation von Molekülen hat Anwendungen für Energieeffizienz, Batterien, verbesserte Katalysatoren, neue Materialien und die Entwicklung neuer Medikamente“, sagte Webber. „Weitere Anwendungen gibt es auf ganzer Linie – einschließlich für Finanzen, Big-Data-Analyse, Flüssigkeitsströmung für Flugzeugdesigns und logistische Optimierungen.“
