Cloud Computing mit Quantenphysik: Verfahren entwickelt, bei dem alle Berechnungen und deren Ergebnisse dem Computer selbst verborgen bleiben
Wien - In allernächster Zukunft wird man vor dem Problem nicht stehen. Dafür
haben aber schon jetzt Wiener Experimentalphysiker um die Dissertantin Stefanie
Barz eine Lösung parat: Angenommen, Sie haben - sagen wir im Jahr 2023 - eine tolle Anwendung für
einen Quantencomputer entwickelt. Und zufällig gibt es auch eine Firma, die
gerade die ersten dieser neuen Wundercomputer zum Einsatz bringt. Das Problem
liegt auf der Hand: Sie wollen nicht, dass der Code Ihrer Anwendung durch die
Tests am Quantencomputer verraten wird, und die Firma will vermeiden, dass
dadurch umgekehrt etwas über die Technologie ihres Wunderdings bekannt wird.
Barz und ihr Team erbrachten in Zusammenarbeit mit internationalen Kollegen
im US-Fachblatt Science (Bd. 335, S. 303) den experimentellen Beweis
dafür, dass man das Problem elegant umgehen kann: Sie entwickelten ein
Verfahren, das unter Ausnützung von Quanteneffekten wie der "spukhaften
Fernwirkung" die Rechnungen auf Quantencomputern "absolut sicher" macht.
Qubits statt Bits
Mit Quantencomputern sollen Phänomene der Quantenwelt für extrem schnelles
Rechnen genutzt werden. In der herkömmlichen Informationstechnologie ist das Bit
die kleinste Informationseinheit, es kann zwei Zustände (Ja/Nein oder 0/1)
einnehmen. Beim Quantencomputer sollen dagegen Quantenzustände als kleinste
Einheit dienen, sogenannte Quantenbits (Qubits). Weil dabei die Gesetze der
Quantenwelt gelten, kann ein solcher Quantenzustand unendlich viele verschiedene
Schwebezustände zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen, sogenannte
Superpositionen. Mit mehreren Qubits könnte man deshalb bestimmte Probleme
wesentlich schneller lösen als in einem klassischen Computer.
Bisher existieren einfache Modelle von Quantencomputern nur in
wissenschaftlichen Laboratorien. Aufgrund ihrer Komplexität wird sich daran wohl
auch in Zukunft nichts ändern, einen Quanten-PC für den Schreibtisch wird es
noch lange nicht geben. Vielleicht stehen aber eines Tages Quantencomputer in
spezialisierten Rechenzentren für Anfragen von außen zur Verfügung - ähnlich wie
heute beim Cloud Computing IT-Anwendungen zu Großrechnern ausgelagert werden.
Herkömmliches Cloud Computing birgt ein gewisses Sicherheitsrisiko in sich.
Dagegen seien Berechnungen am Quantencomputer aufgrund von Quanteneffekten
"absolut sicher", so die Wissenschafter des Vienna Center for Quantum Science
and Technology (VCQ) an der Uni Wien und des Instituts für Quantenoptik und
Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften, die die Arbeit mit
Kollegen aus Schottland, Kanada und Singapur durchgeführt haben.
Ausgelagerte Verschränkung
Und so sieht ihr Konzept konkret aus: Der Nutzer muss die einzelnen Qubits in einem
nur ihm bekannten Zustand präparieren. Die Physiker verwenden in ihrem
Experiment einzelne Lichtteilchen (Photonen) als Qubit, der Zustand ist eine
ganz bestimmte Schwingungsrichtung (Polarisation). Diese Photonen werden zum
Quantencomputer geschickt, wo sie verschränkt werden. "Das ist das Schöne an dem
Konzept, dass der schwierigste Teil - die Verschränkung - ausgelagert ist",
erklärte Stefanie Barz.
Verschränkung ist ein seltsam anmutendes Phänomen der Quantenwelt, das Albert
Einstein einmal als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet hat: Zwei verschränkte
Teilchen bleiben miteinander wie über einen unsichtbaren Faden verbunden, auch
wenn sie sich über beliebige Distanzen voneinander entfernen. Misst man an einem
dieser Teilchen beispielsweise die Polarisierung, ist jene des anderen
augenblicklich ebenfalls festgelegt.
Einweg-Quantencomputer
Im Quantencomputer werden dann die Berechnungen in Form von Messungen an den
verschränkten Teilchen realisiert. Bei dem Rechner handelt es sich um einen
sogenannten Einweg-Quantencomputer, der auf einem Konzept des theoretischen
Physikers Hans Briegel vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
(IQOQI) in Innsbruck basiert und erstmals von Anton Zeilinger experimentell
realisiert wurde. Die Bezeichnung "Einweg" kommt daher, weil die Photonen bei
jeder Messung verbraucht und dadurch vernichtet werden. Daher ist es auch
speziell für den Einweg-Quantencomputer wichtig, eine möglichst große Zahl an
verschränkten Teilchen als Ausgangssituation zu haben. Ein Schüler Zeilingers,
der chinesische Wissenschafter Jian-Wei Pan, hält seit 2011 mit acht
verschränkten Photonen den Weltrekord.
Ziel sei es, möglichst viele verschränkte Photonen zu haben - "je mehr, umso
komplexere Rechnungen kann man durchführen", so Barz. Weil der Quantencomputer
den Zustand, in den der Nutzer die Qubits präpariert hat, nicht kennt, sind für
ihn die Rechnungen eine unzusammenhängende Abfolge an Operationen, betonen die
Wissenschafter. Er könne daher zu keinem Zeitpunkt Rückschlüsse ziehen, welche
Rechnung er gerade durchführt. Der Quantenrechner könne nicht unterscheiden, ob
er gerade einen Code entschlüsselt oder einen Eintrag in einem Telefonbuch
sucht, "er rechnet 'blind'". Schließlich werden die Ergebnisse an den Nutzer
zurückgesendet. "Der Nutzer kann als einziger die Ergebnisse interpretieren und
nutzen, da nur er die Ausgangszustände der Qubits kennt", so Barz.
Derzeit arbeiten die Forscher mit vier Qubits, was noch keine großen
Rechnungen möglich macht. Konkret könnte mit vier Qubits ein Telefonbuch mit
vier Einträgen durchsucht werden, erklärte Barz. Doch mit dem Experiment konnte
grundsätzlich gezeigt werden, dass verschiedene Berechnungen funktionieren und
der Computer nicht erkennen kann, welche er durchführt. (tasch, APA/DER STANDARD, Printausgabe, 20.01.2012)
