Googles Willow Chip (Quelle:Reverse-PCB)

Google’s Willow Chip Launch (Quelle:reversepcb)

Die rasante Entwicklung der Technologie hat den Übergang von quantencomputertheoretischen Konzepten zur praktischen Realität vorangetrieben. Die Enthüllung des Willow-Quantenchips von Google im Dezember 2024 hat weithin Aufmerksamkeit erregt. Dieser Chip markiert einen signifikanten Sprung in den Rechenkapazitäten und stellt eine potenzielle Herausforderung an bestehende Verschlüsselungssysteme dar. In diesem Artikel werden wir uns mit den Prinzipien des Quantencomputings befassen, den technologischen Durchbruch, den der Willow-Chip von Google darstellt, untersuchen, seine potenziellen Anwendungen prüfen, die Bedrohung für Kryptowährungen bewerten und diskutieren, wie sich die Kryptowährungsbranche auf diese aufkommende Herausforderung vorbereiten sollte.

Was ist Quanten-Computing?

Quanten-Computing ist ein innovativer rechnerischer Ansatz, der auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruht und Quantenbits oder Qubits zur Durchführung von Berechnungen verwendet. Im Gegensatz zu klassischen binären Bits, die entweder 0 oder 1 darstellen, können Qubits gleichzeitig in einer Überlagerung beider Zustände existieren und durch quantenmechanische Verschränkung komplexe Korrelationen aufweisen.

Diese einzigartige Eigenschaft ermöglicht es Quantencomputern, spezifische Probleme in exponentiell schnelleren Geschwindigkeiten zu lösen. Zum Beispiel könnten Aufgaben wie die Primfaktorzerlegung, die für herkömmliche Computer Millionen von Jahren dauern könnte, mithilfe von Quantencomputern in Sekunden oder Minuten abgeschlossen werden. Solche Fähigkeiten haben tiefgreifende Auswirkungen auf moderne Kryptographie und wissenschaftliches Rechnen und bieten Chancen und Herausforderungen.

Warum sind Quantencomputer schneller als Supercomputer?

Die Vorteile von Quantencomputern leiten sich aus drei Kernprinzipien der Quantenmechanik ab:

1. Superposition:

   • Ein einzelnes Quantenbit kann gleichzeitig im Zustand 0 und 1 sein, was bedeutet, dass 𝑛 Quantenbits 2^𝑛 mögliche Zustände darstellen können. Dies ermöglicht es dem Quantencomputing, gleichzeitig mehrere Möglichkeiten zu erkunden und die Effizienz erheblich zu verbessern.

2. Verschränkung:

   • Quantenverschränkung ermöglicht es, dass zwei Quantenbits hochkorrelierte Zustände haben, auch wenn sie weit voneinander entfernt sind. Diese Funktion ermöglicht es Quantencomputern, während Multi-Qubit-Operationen schnell zusammenzuarbeiten und die Latenz zu reduzieren.

3. Interferenz:

   • Quantencomputer können die Phase von Quantenzuständen manipulieren, um die Wahrscheinlichkeit korrekter Antworten zu erhöhen und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit falscher Antworten zu verringern. Diese Fähigkeit steigert sowohl die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit von Berechnungen.

Wenn Quantencomputing mit einem Labyrinthlösungsprozess verglichen würde, könnte eine traditionelle CPU nur jeden Pfad nacheinander versuchen, während eine GPU gleichzeitig Tausende von Agenten auf unterschiedliche Pfade schicken kann. Ein Quantencomputer würde jedoch sein wie unzählige Schattenklone, die jeden Pfad gleichzeitig erkunden, bis der Ausgang gefunden ist.

Googles technologischer Durchbruch bei Willow Chip

Die beiden bedeutendsten Errungenschaften des Willow-Chips von Google sind wie folgt:

• Willow kann Fehler exponentiell reduzieren und damit eine zentrale Herausforderung bei der Quantenfehlerkorrektur lösen, die in diesem Bereich seit fast 30 Jahren verfolgt wird.
• Willow hat eine Standard-Benchmark-Berechnung in weniger als fünf Minuten abgeschlossen, eine Aufgabe, die einen der schnellsten Supercomputer von heute 10 Quintillionen Jahre (1025 Jahre) dauern würde - eine Zahl, die weit über dem Alter des Universums liegt.

Googles neueste Fortschritte im Quantencomputing konzentrieren sich auf den Willow-Chip. Im Vergleich zum früheren Sycamore-Chip verfügt der Willow-Chip über 105 Qubits, doppelt so viele wie der Sycamore-Chip. Der eigentliche Durchbruch liegt jedoch in der Anzahl der Qubits und deren Qualität. Die Kohärenzzeit der Qubits von Willow, bekannt als T1-Zeit, wurde signifikant verbessert und ist im Vergleich zu früheren Chips um etwa das Fünffache gestiegen. Diese Verbesserung ermöglicht es den Qubits, Informationen über einen viel längeren Zeitraum zu speichern, was zweifellos ein entscheidender Faktor für Genauigkeit und Stabilität ist, nicht nur eine signifikante Skalenerhöhung.

Bisher war ein Kernproblem von Qubits ihre Zerbrechlichkeit. Eine der größten Herausforderungen beim Quantencomputing besteht darin, dass Qubits sehr empfindlich auf externe Störungen reagieren, was zu hohen Fehlerraten führt (die Fehlerrate steigt stark an, wenn mehr Qubits hinzugefügt werden). Der Willow-Chip führt eine Technologie ein, die als Surface Code Error Correction bekannt ist und physikalische Qubits zu stabileren logischen Qubits kombiniert, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Fehlern erheblich reduziert wird. Damit wird eine zentrale Herausforderung angegangen, die im Bereich des Quantencomputings seit fast 30 Jahren ungelöst ist.

Der Willow-Chip nutzt logische Qubits, die Selbstkorrektur ermöglichen und Fehlerquoten erheblich reduzieren. Der Kern dieser Technologie ist die Quantenfehlerkorrektur (QEC).

Julian Kelly, Direktor für Quanten-Computing-Hardware, stellt Willow und ihre Errungenschaften vor (Quelle:youtube)

Was ist Quantenfehlerkorrektur?

Quantenfehlerkorrektur (QEC) ist eine Methode, die verwendet wird, um Fehler zu beheben, die während des Betriebs von Quantencomputern auftreten. Da Qubits äußerst empfindlich sind - schon streifendes Licht kann Rechenfehler verursachen - sind Quantenfehlerkorrekturtechniken unerlässlich, um Fehler zu reduzieren.

Im Gegensatz zu traditionellen Computern, die Paritätsprüfungen zur Fehlerkorrektur verwenden, können Quantencomputer den Zustand eines einzelnen Qubits nicht direkt messen, um Fehler zu erkennen. Stattdessen verwendet QEC mehrere physische Qubits, um ein logisches Qubit zu bilden. Selbst wenn einige physische Qubits gestört sind, kann das System die korrekten Informationen wiederherstellen. Vereinfacht ausgedrückt ist die Information über mehrere Qubits verteilt, anstatt in einem einzigen Qubit konzentriert zu sein, sodass selbst wenn ein Teil der Qubits gestört ist, die verbleibenden Qubits immer noch ausreichend Informationen zur Korrektur des Fehlers liefern können.

Forscher bei Google haben entdeckt, dass sie durch die Einführung von mehr Qubits und die Durchführung von Echtzeitfehlerkorrekturen die Fehlerquoten signifikant reduzieren können. Sie veröffentlichten diesen Durchbruch in der neuesten Ausgabe des Magazins Nature und beschrieben ihn als "unterhalb des Schwellenwerts" Fortschritt. Das bedeutet, dass mit zunehmender Anzahl von Qubits die Fehlerquote exponentiell abnehmen kann - ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte des Quanten-Computings.

Anwendungen von Quanten-Computing

Arzneimittelentwicklung und Materialwissenschaft

Quanten-Computing kann molekulare Strukturen simulieren, um Forschern schnell bei der Vorhersage molekularer Wechselwirkungen zu helfen und somit die Entdeckung neuer Medikamente und Materialien zu beschleunigen, wie zum Beispiel:

• Wirkstoffdesign: Quanten-Computing hat das Potenzial, das Wirkstoffdesign zu revolutionieren, indem es die Simulation von Protein-Faltungsprozessen ermöglicht und damit die Entwicklung von Krebstherapien oder Impfstoffen erheblich beschleunigt. Während der Entwicklung von COVID-19-Impfstoffen spielte beispielsweise das Quanten-Computing eine wesentliche Rolle bei der Analyse von Proteinstrukturen. Die quanteninspirierte Technologie von Fujitsu konnte in nur acht Wochen durch Billionen von Molekülen filtern und vielversprechende Wirkstoffkandidaten identifizieren, was den typischen Zeitrahmen für die Wirkstoffentwicklung dramatisch verkürzte.
• Materialwissenschaft: Erforschen Sie neue supraleitende Materialien oder Batterietechnologien der nächsten Generation, um die Effizienz und Lebensdauer von Elektrofahrzeugbatterien zu verbessern.

Klimamodellierung und Umweltwissenschaften

Quanten-Computing kann komplexe Prozesse des Klimawandels simulieren, um Forschern zu helfen, Umweltveränderungen zu verstehen und Lösungen zu finden:

• Klimasimulation: Vorhersage zukünftiger Trends der globalen Erwärmung und Bereitstellung von Daten zur Unterstützung der Formulierung von Emissionsreduktionspolitiken.
• Optimierung der Energieverteilung: Unterstützung von Forschern bei der Entwicklung effizienterer Stromnetzsysteme, um die Energieverteilung zu optimieren und Abfall zu reduzieren. So hat sich Fujitsu beispielsweise mit dem Hamburger Hafen zusammengetan, um quanteninspiriertes Computing zur Optimierung von Verkehrssignalen im Hafengebiet einzusetzen. Dies reduziert Staus und Umweltverschmutzung und führt zu einer effizienteren Energienutzung.

Neue Energie und Kernfusion

Quanten-Computing kann das Verhalten von Atomen und Molekülen simulieren und somit die Forschung in der Kernfusions-Technologie und der Entwicklung effizienterer Energiesysteme beschleunigen:

• Kernfusionreaktionssimulation: Quanten-Computing unterstützt Forscher dabei, die komplexen Bedingungen für Kernfusionsreaktionen zu verstehen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Förderung der sauberen Energie-Revolution.
• Verbesserung der Batterietechnologie: Durch die Simulation chemischer Reaktionen auf molekularer Ebene kann Quanten-Computing helfen, effizientere und umweltfreundlichere Batterien zu entwerfen. Zum Beispiel nutzte Daimler in Zusammenarbeit mit IBM Quanten-Computing, um das Verhalten von Schwefelmolekülen zu simulieren, was zur Entwicklung von leistungsstärkeren und länger haltbaren Lithium-Schwefel-Batterien beitrug.

Transport und Logistik

• Flugplanung: IBM setzt Quanten-Computing ein, um gleichzeitig Flottenmanagement, Crew-Einteilungen und Passagierfaktoren zu optimieren und die effizientesten Lösungen zur Beschleunigung der Wiederherstellung von Flugoperationen zu liefern.
• Automobilherstellung: In Zusammenarbeit mit Toyota nutzt Fujitsu die digitale Glüh-Technologie, um Echtzeit-Verkehrswege zu berechnen, was die Logistikkosten effektiv reduziert und die Betriebseffizienz verbessert.

Hartmut Neven, Gründer von Google Quantum AI, wies darauf hin, dass die Veröffentlichung des Willow-Chips einen bedeutenden Schritt nach vorne für kommerziell tragfähiges Quanten-Computing darstellt. Auch wenn die Technologie noch in den Anfängen steckt, legt sie eine solide Grundlage für die Lösung realer Probleme in der Zukunft.

Die Bedrohung des Quanten-Computings für Kryptowährungen

Mit der fortschreitenden Entwicklung des Quantencomputing stellt es beispiellose Herausforderungen für die Sicherheit von Kryptowährungen dar. Derzeit sind die meisten Kryptowährungen auf traditionelle Public-Key-Verschlüsselungsmethoden wie die elliptische Kurvenkryptographie (ECC) und die SHA-256-Hashfunktion angewiesen. Die immense Rechenleistung von Quantencomputern kann jedoch potenziell diese bestehenden Verschlüsselungsstandards vollständig untergraben.

1. Das Risiko der Entschlüsselung der Public-Key-Verschlüsselung

• Traditionelle Public-Key-Verschlüsselungsmethoden wie RSA und ECC basieren auf der Rechenkomplexität von Problemen wie Primfaktorisierung und diskreten Logarithmen, um die Sicherheit zu gewährleisten.
• Quanten-Computing's Shor-Algorithmus kann diese Probleme exponentiell schneller lösen, was aktuelle Verschlüsselungsmethoden verwundbar macht. Dies könnte potenziell Hackern ermöglichen, Sicherheitsmaßnahmen zu umgehen, Zugriff auf private Schlüssel von Benutzern zu erhalten und ihre digitalen Vermögenswerte zu gefährden.

2. Das Risiko von Hash-Algorithmen

• Bitcoins Proof-of-Work (PoW) Mechanismus verlässt sich auf die SHA-256 Hash-Funktion, um die Integrität der Transaktion zu gewährleisten.
• Quanten-Computing Grover's Algorithmus kann den Prozess des Knackens von SHA-256 um einen Faktor der Quadratwurzel beschleunigen. Auch wenn dies nicht so katastrophal ist wie Shors Algorithmus bei der Public-Key-Verschlüsselung, könnte es die Sicherheit von Kryptowährungen dennoch schwächen.

3. Transaktionssicherheitsprobleme

• Transaktionsdetails werden öffentlich auf der Blockchain in Kryptowährungen wie Bitcoin aufgezeichnet. Hacker könnten Quanten-Computing nutzen, um die privaten Schlüssel von Transaktionen zu knacken, die noch nicht bestätigt wurden, und somit unbefugte Transaktionen einzuleiten.
• Diese „Angriff-zuerst, Bestätigung-später“-Schwachstelle gefährdet digitale Vermögenswerte und könnte die Gesamtintegrität und Vertrauenswürdigkeit des Blockchain-Netzwerks untergraben.

Laut einem Bericht des Hudson Institute könnten bei Erfolg von Quantencomputern bei der Überwindung der Sicherheit von Bitcoin über $3 Billionen an Markteinbußen und potenziell Turbulenzen an den globalen Finanzmärkten entstehen. Dieses Risiko wird nur wachsen, da Bitcoin und andere Kryptowährungen weiterhin eine zunehmende Mainstream-Adoption als Anlagevermögen erfahren. Allerdings deutet die Forschung darauf hin, dass ein Quantencomputer, der stark genug ist, um die Verschlüsselung von Bitcoin zu knacken, noch mindestens ein Jahrzehnt entfernt ist. Trotzdem bleibt die Bedrohung langfristig bestehen. Wenn die Bitcoin-Entwicklungsgemeinschaft es versäumt, ihre Sicherheitsprotokolle rechtzeitig zu aktualisieren, könnte sie in Zukunft erheblichen Risiken ausgesetzt sein. Während die aktuellen kryptografischen Techniken von Kryptowährungen in herkömmlichen Rechenumgebungen wirksam bleiben, könnte die Rechenleistung von Quantencomputern letztendlich dieses Gleichgewicht stören.

Strategien und Richtungen für Kryptowährungen als Reaktion auf Quanten-Computing

Mit dem Fortschritt des Quantencomputings erkunden die Kryptogemeinschaft und Forschungseinrichtungen aktiv Strategien zur Sicherung digitaler Vermögenswerte und zur Gewährleistung der stabilen Entwicklung der Blockchain-Technologie. Diese Strategien umfassen die Aktualisierung kryptografischer Techniken, die Verbesserung von Blockchain-Protokollen, die Stärkung von Sicherheitsmaßnahmen bei Transaktionen, die Festlegung von Vorschriften und Standards sowie die Schaffung langfristiger Überwachungs- und Zusammenarbeitsframeworks.

Entwicklung der Post-Quanten-Kryptographie (PQC)

Wie bereits erwähnt, könnten aktuelle Verschlüsselungstechnologien (wie RSA und ECC) durch Quantencomputer kompromittiert werden, weshalb die Entwicklung der Post-Quantum-Kryptographie (PQC) in den Mittelpunkt gerückt ist. Das National Institute of Standards and Technology (NIST) führt Bemühungen an, Standards für die Post-Quantum-Kryptographie festzulegen, die unter anderem umfassen:

• Gitterbasierte Verschlüsselung: Techniken wie Kyber und NTRU, die die Gittertheorie nutzen, um Sicherheit zu gewährleisten, wurden von NIST als post-quanten-kryptographische Standards ausgewählt.
• Hash-basierte Verschlüsselung: Ein Beispiel ist SPHINCS+, das sich gut für digitale Signaturen eignet und einen robusten Schutz gegen Quanten-Computing-Angriffe bietet.
• Multivariate Polynomverschlüsselung: Dieser Ansatz basiert auf der Komplexität der Lösung multivariater Polynomgleichungen, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Aktualisierung von Blockchain-Protokollen und Integration von Technologien

Neben der Entwicklung neuer kryptografischer Techniken müssen Blockchain-Protokolle aktualisiert werden, um den Sicherheitsanforderungen des Quantenzeitalters gerecht zu werden. Große Blockchain-Projekte erforschen derzeit die folgenden Technologien:

• Bitcoin: Die Community untersucht, wie man post-quantum Signaturen (wie Lamport-Signaturen und Winternitz-Signaturen) in das Bitcoin-Netzwerk integrieren kann, um die Sicherheit von Transaktionen zu gewährleisten.
• Ethereum: Forschung zu Nullwissensbeweistechnologien wie zk-SNARKs und STARKs, die die Privatsphäre verbessern und die Abhängigkeit von traditionellen kryptografischen Techniken verringern werden.
• Quantenresistente Blockchain: Projekte wie Quantum-Resistant Ledger (QRL) und QANplatform konzentrieren sich auf die Entwicklung von Blockchain-Technologien, die gegen Quantenangriffe resistent sind und die Sicherheit von Transaktionen und Daten auf architektonischer Ebene schützen.
• Optimierung von Blockchain-Konsensmechanismen: Die Einführung neuer Konsensalgorithmen, wie dem quantenresistenten Proof of Stake (PoS), zielt darauf ab, die langfristige Stabilität und Sicherheit dezentraler Systeme angesichts quantenbedingter Bedrohungen zu gewährleisten.

Stärkung der Transaktions- und privaten Schlüsselsicherheit

Angesichts des Potenzials von Quantencomputern, herkömmliche Kryptographie zu untergraben, ist es entscheidend, die Sicherheit von Kryptowährungstransaktionen und privaten Schlüsseln weiter zu stärken.

• Multi-Signatur-Technologie: Dies erfordert mehrere private Schlüssel zur Autorisierung einer Transaktion, verbessert die Sicherheit und minimiert das Risiko von Einzelstellenanfälligkeiten.
• Threshold Signature Scheme (TSS): Bei diesem Ansatz wird der private Schlüssel in mehrere Teile unterteilt, die auf mehrere Geräte verteilt sind. Dies erschwert es Hackern, einen einzelnen Schlüssel mithilfe von Quantencomputern zu kompromittieren.
• Verringerung der Transaktionsbestätigungszeit: Durch Optimierung der Netzwerkeffizienz kann die Zeit zur Bestätigung von Transaktionen verkürzt werden, wodurch das Expositionsfenster für private Schlüssel im Netzwerk verringert wird.

Aufbau von Vorschriften und Standards

• Entwicklung globaler Standards: Regierungsbehörden und internationale Organisationen wie NIST und ISO sollten eng mit Technologieunternehmen zusammenarbeiten, um einheitliche Post-Quanten-Verschlüsselungsstandards zu schaffen. Dieser gemeinsame Einsatz wird dazu beitragen, eine weltweite Verbesserung der Sicherheitsmaßnahmen im Kryptowährungsmarkt sicherzustellen.
• Vorschriften für Quantenrisiken: Aufsichtsbehörden sollten Richtlinien umsetzen, die Krypto-Börsen und Wallet-Anbieter dazu verpflichten, quantenresistente Mechanismen zu übernehmen. Diese Vorschriften werden entscheidend sein, um die Interessen der Anleger zu schützen.

Schlussfolgerung

Die Entwicklung des Quantencomputings hat eine entscheidende Phase erreicht, denn der Willow-Chip von Google bringt uns dem Quantenzeitalter näher. Dies stellt zwar einen technologischen Sprung dar, stellt aber auch eine erhebliche Bedrohung für die Sicherheit von Kryptowährungen und Finanzsystemen dar. Experten prognostizieren, dass Quantencomputer, die die Verschlüsselung von Bitcoin knacken, noch 10 bis 20 Jahre entfernt sein könnten, aber das Rennen ist bereits im Gange. Arthur Herman, Forscher am Hudson Institute, hat davor gewarnt, dass Quanten-Hacking-Angriffe einer tickenden Zeitbombe ähneln. Sobald sie auftreten, könnten sie zu Verlusten von bis zu 3 Billionen US-Dollar an Marktwert führen und möglicherweise eine Finanzkrise auslösen. Wenn sich der Wert von Bitcoin 100.000 US-Dollar nähert, wird es zu einem attraktiveren Ziel für Hacker. Für die Blockchain-Community, akademische Einrichtungen und staatliche Regulierungsbehörden wird es von entscheidender Bedeutung sein, bei der Weiterentwicklung der Post-Quanten-Kryptographie (PQC) und der Aufrüstung der bestehenden Blockchain-Infrastruktur zusammenzuarbeiten, um so digitale Vermögenswerte zu schützen. In diesem Wettlauf gegen die Zeit werden diejenigen, die proaktive Schritte unternehmen, am besten positioniert sein, um im Quantenzeitalter erfolgreich zu sein.