General Qubit: Quantum Computing in der Wehrtechnik

Dieser Artikel ist Teil 3 der dreiteiligen Serie „Quantensprünge“.

Wer an einen Quantensprung denkt, der hat eine bahnbrechende Entwicklung vor Augen. Eine geradezu riesige Innovation, die alles bisher Dagewesene in den Schatten stellt. Doch im physikalischen Sinne ist ein Quantensprung das komplette Gegenteil davon: nämlich der Übergang von einem Quantenzustand in einen anderen – und der spielt sich auf atomarem Level ab. Ähnlich irreführend ist die Berichterstattung zu Quanten Computing. Denn das ist (zumindest noch) weit davon entfernt, die Welt zu verändern. Wie sieht der Status quo der Forschung genau aus?

Die Quantenforschung ist in vollem Gange. Inzwischen bauen Marktforschungsinstitute ganze Pools an Quantenanalysten auf. Noch arbeiten sie – wie auch die Hardware-Experten bei IBM, Google und Co. – alle an Grundlagen. Praktische Experimente sind selten, auch wegen horrender Kosten.

Im Dezember 2018 hat die BWI daher gemeinsam mit externen Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft das Event „Technology Perspectives“ veranstaltet. Ziel des Konferenzformats war es, die Relevanz von Quantum Computing für Bundeswehr und Bund zu ermitteln. Und damit für die BWI selbst.

Ein Ergebnis: Auch wenn die praktische Nutzung von Quantencomputern noch lange auf sich warten lassen dürfte, müssen jetzt auch bei der BWI erste Untersuchungen und Experimente starten.

Dabei sollten vor allem die Bereiche Post-Quantum-Kryptographie und Optimierungsprobleme untersucht werden.

Post-Quantum-Kryptographie vorantreiben

Asymmetrische Verschlüsselungsverfahren wie RSA (benannt nach seinen Entwicklern, den Mathematikern Rivest, Shamir und Adleman) kommen heute praktisch überall zum Einsatz. Sie verschlüsseln E-Mails (OpenPGP, S/MIME), den Datenverkehr in Netzwerken (SSH) oder auch die Kommunikation im Web (HTTPS). Die Verfahren basieren auf der Kombination von Primzahlen. Vereinfacht gesagt: Wer berechnen kann, welche Primzahlen miteinander multipliziert werden müssen, um eine bestimmte Zahl mit Hunderten von Dezimalstellen zu erhalten, der kann RSA „knacken“. Selbst Supercomputer sind damit überfordert: Mit dem Shor-Algorithmus können Sie zwar theoretisch die Lösung berechnen, brauchen dafür aber viel zu lange. Quantencomputer könnten das in einigen Jahren vielleicht schon in Sekundenschnelle.

„Wie gehen wir heute mit schützenswerten Informationen um, damit sie auch im Quantenzeitalter noch sicher sind?“

Jens Muschner, Leiter Innovation Management, BWI

Das Problem dabei: Auch wenn ein Verschlüsselungsverfahren erst in zehn Jahren geknackt werden sollte, braucht es schon jetzt Alternativen. So gibt es gerade im militärischen Umfeld der Bundeswehr viele Informationen, die auch in einem Jahrzehnt noch vertraulich sein müssen.

Für die BWI ergibt sich hier ein anspruchsvolles Spannungsfeld: Wir müssen einerseits ermitteln, welchen kurzfristigen Handlungsbedarf die Bundeswehr hat – und welche technologischen und organisatorischen Maßnahmen eingeführt werden sollten. Zum anderen geht es um die Entwicklung neuer Verschlüsselungsverfahren, die auch vor Quantencomputern sicher sind.

Die Post-Quantum-Kryptographie treibt zahlreiche Institutionen um. Darunter die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) im Auftrag der US-Armee, aber auch Wirtschaftsunternehmen und offene Initiativen wie Open Quantum Safe. Teilweise werden gar schon quantensichere Algorithmen angeboten – ob diese tatsächlich wirksam sind, ist allerdings mehr als fraglich. Wer soll sie schon praktisch testen?

Ein verwandtes Forschungsgebiet ist die Quantenkommunikation. Sie zielt ebenfalls darauf ab, Daten abhörsicher zu übertragen. Sie nutzt den physikalischen Effekt der Quantenverschränkung (Quantum Entanglement), bei der Informationen – bildlich ausgedrückt – regelrecht teleportiert werden. (Mehr dazu im Beitrag „Ein Quantum tost“.)

Optimierungsprobleme lösen

Zu einem gegebenen Problem eine mögliche Lösung ermitteln: Das ist so etwas wie die Kernaufgabe der Mathematik und damit auch der Rechentechnik. Je komplexer das Problem – je mehr Variable also zu berücksichtigen sind – desto länger dauert die Berechnung. Um dennoch in akzeptabler Zeit zu Ergebnissen zu kommen, liefern Optimierungsalgorithmen in der Regel keine perfekten, sondern näherungsweise Lösungen. Mit einer Quantenarchitektur wäre dieser Kompromiss unnötig. Der Bundeswehr könnte das beispielsweise bei Einsätzen helfen – in der logistischen Planung etwa. Wie müssen Truppen verteilt werden? Von wo sollte wann welche Ausrüstung geliefert werden? Wie sieht die optimale IT-Ausstattung im Einsatzgebiet aus? Alles Fragen, auf die Quantensysteme umgehend die mathematisch beste Antwort ermitteln könnten.

Gemeinsam forschen und experimentieren

Die Universität der Bundeswehr München (UniBwM) verfügt über einen eigenen Lehrstuhl zum Thema Quantum Computing. Und sie baut einen eigenen Forschungs-Hub auf, der mithilfe der Online-Plattform IBM Q Experience an praktischen Anwendungsfällen für die Truppe forscht.

In diesem Rahmen plant die BWI, mit der UniBwM zusammenzuarbeiten und mit Use-Cases zu experimentieren, die für die Bundeswehr relevant sind. Dafür bringen wir unsere Expertise zur Bundeswehr selbst ein und unsere Erfahrung aus jahrelangen Projekten mit IBM.

Eines ist klar: Im Gegensatz zu den Experimenten, die wir im Innovation Management sonst durchführen, werden wir beim Quantum Computing theoretischer arbeiten müssen. Ziel sind Use-Case-Studien, die später einmal praktisch getestet werden können. Dann nämlich, wenn die Quantentechnologie ihr Prototypenstadium verlässt.

Quantensprünge – die Reihe im Überblick

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Titelbild: © Devrimb/iStock

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