Quantencomputing - Ein Interview mit Oberstleutnant Marialke

Oberstleutnant Matthias Marialke aus der Abteilung Planung/Digitalisierung des Kommando CIRCyber- und Informationsraum ist seit April 2019 als Verbindungsoffizier beim Forschungsinstitut Cyber Defense (FI CODE) der Universität der Bundeswehr in München. Der 42-Jährige beschäftigt sich dort mit dem Thema Quantencomputing.

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Herr Oberstleutnant Marialke, woher kommt Ihr Interesse für Quantencomputing?

Das Thema interessiert mich grundsätzlich seit mehreren Jahren, wobei ich einen konkreten Zeitpunkt nicht genau festlegen kann. Eigentlich komme ich fachlich aus dem Bereich Elektrotechnik und Nachrichtentechnik. Hier konnte ich im Studium schon feststellen, dass eine zunehmende Miniaturisierung zu – im ersten Augenblick – verblüffenden Effekten führt. Genau dies ist ja de facto beim Quantencomputing (QC) auch der Fall. Aus diesem Grund finde ich das Themenfeld extrem spannend.

Was ist Quantencomputing?

Grundsätzlich die Nutzung von Effekten auf Quantenebene zur Berechnung von Daten. Aber QC ist mehr, es umfasst Quantencomputer, sowie die Theorie der Nutzung und Programmierung der Rechner, die durch einige Eigenheiten von der Programmierung handelsüblicher Computer abweicht. Allerdings funktioniert diese Technik nur bei einer Extremtemperatur, nahe beim gemessenen „absoluten Nullpunkt“. Dies führt dazu, dass die Quantencomputer-Prototypen nur in einem mehrstufigen Kühlschrank, möglichst nah an die -273.15 Grad Celsius, genutzt werden können. Außerdem können in der aktuellen Generation der Quantencomputer effektiv nur circa 50 Quantenbits (QBits) genutzt werden. 

Warum betreibt man diesen Aufwand für eine solche geringe Zahl an Bits?

Ja, tatsächlich scheinen 50 QBits verglichen mit der Rechenkapazität eines aktuellen PCs, ja sogar eines Smartphones, geradezu lachhaft wenig. Allerdings verfügt ein Quantencomputer über mehrere Eigenschaften, die ihn für spezielle Anwendungsfälle einem klassischen Computer überlegen machen. Aber eher auf theoretischer Ebene. Quantencomputer können echte Zufallszahlen erzeugen, was für viele Algorithmen ein klarer Vorteil ist. Durch die Möglichkeit der sogenannten „Superposition„ können die Daten im Gegensatz zu einem klassischen Bit mit den Zustandswert 0 oder 1, in einen QBit in unendlich viele „unbekannte“ Zustände zwischen 0 und 1 gesetzt werden. Dies ermöglicht eine Rechenoperation im Computer quasi gleichzeitig auf all diesen unendlich vielen Werten mit einem Durchgang zu rechnen und erst beim Auslesen des Ergebnisses wieder nur einen Wert, also das Ergebnis, zu erhalten.

Für welchen Bereich ist das besonders wichtig?

Gerade die Nutzung der Superposition ermöglicht es, gängige asymmetrische mathematische Fragestellungen im Bereich von Kryptoverfahren, deutlich schneller zu berechnen als auf klassischen Computern. Auch andere Problemstellungen können so deutlich schneller gelöst werden. Die Nutzung eines weiteren Verfahrens, der „Verschränkung“, ermöglicht es zum Beispiel, bei einer Datenübertragung zu erkennen, ob die Daten von einem Dritten mitgelesen wurden. Dieser Effekt ermöglicht die sogenannte Quantenschlüsselverteilung, also den Austausch von symmetrischen Schlüsseln für eine sichere Kommunikation. Dieses Konzept ist mehr bekannt unter der Bezeichnung Quantenkommunikation.

Steht der Einsatz von Quantencomputern denn unmittelbar bevor?

Nicht wirklich, denn den Vorteilen von Quantencomputern stehen gegenwärtig noch viele Probleme bei der technischen Realisierung gegenüber. So ist es zum Beispiel extrem schwierig, ein QBit über einen längeren Zeitraum so stabil zu halten, sodass es möglich ist, damit zu rechnen. Es ist noch viel Pionierarbeit zu leisten.

Und hier am Forschungsinstitut CODE tragen wir mit unserer Forschung dazu bei, das Potential, das ein Quantencomputer beinhaltet, tatsächlich in naher Zukunft nutzen zu können.

Was machen Sie am Forschungsinstitut CODE mit Quantencomputing?

Hier am Forschungsinstitut CODE fokussieren wir uns momentan auf die Lehre der Theorie zum Thema QC sowie auf die Untersuchung zum Thema „Noise“ in Quantencomputern und die Anwendung von Quantencomputing in der Geoinformatik. Der Begriff Noise kommt eigentlich aus der Nachrichtentechnik. Er bezeichnet Störungen auf genutzten Frequenzen, vergleichbar einem Rauschen während eines Telefongespräches. Im Bereich Quantencomputing bezeichnet man damit zum einen das Problem, dass „gespeicherte“ Quanten extrem instabil sind, da der Zustand sehr fragil ist und innerhalb eines Zeitfensters von Nanosekunden wieder in einen undefinierten Zustand zurückfällt. Durch die Fragilität des Zustandes sind Quantencomputer extrem anfällig für Hintergrundstrahlung. Diese beiden, und noch einige weitere Faktoren führen zu Ergebnissen, die zufällige Komponenten enthalten, die es zu minimieren gilt.

An was forschen Sie genau?

Meine aktuelle Arbeit fokussiert eher auf die theoretische Ebene beim Quantencomputing. Dabei versuche ich einen allgemeinen Überblick über Quantencomputing und Aktivitäten in diesem Bereich zu bekommen. Auch, um für das Kommando CIRCyber- und Informationsraum eine grundlegende Aussagefähigkeit zu potentiellen Anwendungsmöglichkeiten zu erarbeiten.

Der Fokus im Bereich unserer Forschung liegt auf dem theoretischen Unterbau, genau genommen bei der Entwicklung eines Simulators in Zusammenarbeit mit anderen Mitarbeitern des Institutes. Ein Simulator berücksichtigt alle möglichen Eigenheiten eines Quantencomputers, wie Verschränkung, Superposition, aber auch den oben angeführten „Noise“-Effekt, um den Umgang mit entsprechenden Computern zu untersuchen und trotz der nicht vollumfänglichen Verfügbarkeit Algorithmen und Herangehensweisen für die Nutzung von Quantencomputern zu entwickeln. Ein Simulator erreicht logischerweise bei weitem nicht die Geschwindigkeit eines Quantencomputers, ermöglicht aber in der Forschung und Entwicklung, parallel zu hardwaretechnischen Entwicklung des QC, auch die Nutzung zu untersuchen.

Wie forschen Sie?

Ein großer Anteil meines Forschungsalltags besteht aus Recherche, aber auch der Austausch mit anderen Mitarbeitern und externen Stellen spielt eine wichtige Rolle. 

Was genau reizt Sie am Thema Quantencomputing?

QC ist ein relativ neues Feld in der Informatik, auch wenn die Theorie und die ersten Ideen zu dem Thema schon auf die 1950er Jahre zurückgehen. Dies bietet mir die Möglichkeit mit klassischem Hintergrundwissen aus der Mathematik, der Physik, Elektrotechnik und Informatik in diesen Themenkomplex einzusteigen.

QC ist ein querschnittliches Thema, das aktuell und sehr interessant in der Entwicklung ist. Somit ist es ein spannendes und neues Feld mit großem Potential, nicht nur für den Bereich Forschung, sondern auch für die Bundeswehr.

Wozu braucht die Bundeswehr Quantencomputing?

Momentan geht es darum, eine grundlegende Idee zu entwickeln, wozu QC eingesetzt und genutzt werden kann. Es gibt verschiedene Problemstellungen, die zukünftig wahrscheinlich vom Einsatz eines QC profitieren können. QC könnte zum Beispiel in der Aufklärung eingesetzt werden, oder für diverse logistische Problemstellungen und andere Optimierungsprobleme genutzt werden. 

Wohin führt der Einsatz von Quantencomputing?

Momentan hat QC den größten Einfluss im Bereich der Kryptierverfahren. Über kurz oder lang werden Quantencomputer eingesetzt werden können, um die gängigen asymmetrischen Kryptierverfahren in einem überschaubaren Zeitrahmen brechen zu können. Andere Nationen investieren massiv in diesem Bereich. Betrachtet man die Zeitlinien für die Geheimhaltung von Informationen, die ja im Bereich von Dekaden liegen, sind wir also an dem Punkt, dass quasi heute entsprechend eingestufte Informationen, die nicht QC-resistent verarbeitet werden,  in 10 bis 15 Jahren durch QC entschlüsselt werden könnten. Dies gilt es bei der Entwicklung von Schlüsselverfahren jetzt zu berücksichtigen und diese so zu gestalten, dass sie auch zukünftig vor der – momentan nur theoretischen – Gefahr Quantencomputing sicher sind.

Welche Chancen und Risiken sehen Sie beim Einsatz von Quantencomputing?

Chancen und Risiken sind momentan noch extrem schwer abzuschätzen, da nicht klar ist, mit welcher Geschwindigkeit sich die Fähigkeiten von Quantencomputern in den nächsten Jahren entwickeln werden und in welchen Nischen diese ihre Anwendung finden. Dass sie in Nischen eingesetzt werden, und nicht die klassischen Arbeitsplatzrechner oder aber Rechenzentren ersetzen werden, ist jetzt schon klar. Wie schon angesprochen, das größte Risiko bei der Nutzung von Quantencomputern ist das Brechen der heute gängigen Verschlüsselungen.