Die kürzlich gesendete E-Mail wurde wahrscheinlich mit einer etablierten Verschlüsselungsmethode geschützt, die auf der Tatsache beruht, dass selbst der schnellste Computer sehr große Zahlen nicht einfach faktorisieren könnte.

Quantum-Computer eröffnen jedoch eine neue Dimension in der Informatik und versprechen, komplexe kryptografische Systeme schnell zu durchbrechen, für die klassische Computer Millionen von Jahren benötigen würden. Diese neue Fähigkeit basiert auf einem Quantenfaktorisierungsalgorithmus, der erstmals 1994 von Peter Shor vorgeschlagen wurde. Seine Arbeit, obwohl revolutionär, wurde bisher aufgrund technischer Herausforderungen beim Bau ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer nicht vollständig umgesetzt.

Die Forschung im Bereich der Quanteninformatik wird intensiv fortgesetzt, und Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, Shors Algorithmus zu verbessern, um ihn für kleinere und derzeit verfügbare Quantencomputer geeignet zu machen. Im vergangenen Jahr schlug der Informatiker Oded Regev von der New York University eine bedeutende theoretische Verbesserung von Shors Algorithmus vor, die die Anzahl der erforderlichen Quantengatter reduziert, aber den Speicherbedarf erhöht.

Forscher des MIT haben auf der Grundlage von Regevs Ergebnissen einen neuen Algorithmus vorgeschlagen, der die Geschwindigkeitsvorteile von Regevs Ansatz mit der Speichereffizienz von Shors Algorithmus kombiniert. Dieser neue Algorithmus ist nicht nur schnell, sondern erfordert auch weniger Quantenbausteine (Qubits) und ist widerstandsfähiger gegen Quantengeräusche, was ihn für die Implementierung unter realen Bedingungen viel praktikabler macht.

Fortschritte in der Quanteninformatik
Quantencomputer unterscheiden sich von klassischen Computern durch ihre Fähigkeit, Quantenbits oder Qubits zu verwenden, die sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden können. Dies ermöglicht es Quantencomputern, enorme Datenmengen parallel zu verarbeiten, was die Lösung komplexer mathematischer Probleme erheblich beschleunigt.

Der Bau großer Quantencomputer, die Algorithmen wie Shors ausführen können, bleibt jedoch eine große Herausforderung. Die derzeit fortschrittlichsten Quantencomputer verfügen über etwa 1.100 Qubits, was weit unter den 20 Millionen Qubits liegt, die für die Ausführung von Shors Algorithmus auf Zahlen erforderlich sind, die für die moderne Kryptographie relevant sind.

Regevs Algorithmus stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da er die Anzahl der erforderlichen Quantengatter reduziert, doch bleibt das Problem des erhöhten Speicherbedarfs bestehen. Qubits, die das fundamentale Element von Quantencomputern darstellen, sind im Laufe der Zeit anfällig für Zersetzung, was bedeutet, dass ihre Nutzung optimiert werden muss, um maximale Effizienz zu erreichen.

Neue Methoden und Herausforderungen
Forscher des MIT haben eine Methode entwickelt, die Fibonacci-Zahlen zur Exponentiation verwendet, wodurch der Bedarf an der Quadrierung von Zahlen erheblich reduziert wird. Diese Methode erfordert nur zwei Quanten-Speichereinheiten, wodurch der Bedarf an einer großen Anzahl von Qubits verringert und die Durchführung komplexer Operationen mit weniger Quanten-Speicher ermöglicht wird.

Dieser Ansatz erinnert an ein Ping-Pong-Spiel, bei dem der Anfangswert einer Zahl zwischen zwei Quantenregistern übertragen und bei jedem Schritt multipliziert wird. Darüber hinaus hat das MIT-Team Techniken zur Fehlerkorrektur bei Quantenoperationen entwickelt, die für die zuverlässige Anwendung dieser Algorithmen in realen Quantencomputern entscheidend sind.

Perspektiven der Quantenkryptographie
Obwohl die Arbeit der MIT-Forscher einen bedeutenden Fortschritt darstellt, bleiben noch viele Herausforderungen, bevor Quantencomputer bestehende kryptografische Systeme wie RSA gefährden können. Aktuelle Schätzungen legen nahe, dass Verbesserungen für Zahlen, die erheblich größer als 2.048 Bit sind, anwendbar sein müssen, was die Frage aufwirft, ob diese neue Methode für moderne Verschlüsselungsstandards ausreichend effektiv sein wird.

Trotzdem legt die Entwicklung neuer Algorithmen und Techniken zur Optimierung von Quantencomputing-Operationen den Grundstein für eine Zukunft, in der die Quantenkryptographie eine Schlüsselrolle beim Schutz digitaler Kommunikation spielen wird. Forscher glauben, dass weitere Verbesserungen in Kombination mit technologischen Fortschritten die praktische Anwendung von Quantencomputern in der Kryptographie in den kommenden Jahrzehnten ermöglichen werden.

Das MIT-Team beabsichtigt, die Forschung mit dem Ziel der weiteren Optimierung des Algorithmus fortzusetzen, in der Hoffnung, ihn eines Tages auf realen Quantencomputern testen zu können. Das endgültige Ziel ist es, Verschlüsselungssysteme zu entwickeln, die gegen zukünftige Quantenbedrohungen resistent sind und so die langfristige Sicherheit digitaler Daten gewährleisten.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology