Quantencomputing ist eine große Bedrohung für Bitcoin und Krypto

Diese Woche veröffentlicht Google eine Studie, die beschreibt, wie ein Quantencomputer theoretisch in 9 Minuten den privaten Bitcoin-Schlüssel ableiten könnte — mit weitreichenden Folgen, die sich bis nach Ethereum, auf andere Token, private Banken und möglicherweise auf alles in dieser Welt ausweiten.

Quantencomputer werden oft fälschlich als eine schnellere Version von normalen Computern verstanden. Aber das ist nicht einfach ein stärkerer Chip oder ein größerer Verbund aus Servern. Es ist eine völlig andere Art von Maschine — schon auf atomarer Ebene.

Ein Quantencomputer beginnt mit einem sehr kleinen, sehr kalten Metallring, in dem Teilchen so zu wirken beginnen, wie sie sich unter normalen Bedingungen auf der Erde nicht verhalten — auf Arten, die verändern, was wir weiterhin als grundlegende physikalische Gesetze ansehen.

Wenn man das versteht — im physikalischen Sinne — ist genau die Grenze zwischen dem, was man nur über die Quantenbedrohung liest, und dem, was man es wirklich begreift.

Wie Computer und echte Quantencomputer wirklich funktionieren

Ein gewöhnlicher Computer speichert Informationen in Bits — jedes Bit ist nur 0 oder 1. Ein Bit ist ein winziger Schalter. Physikalisch gesehen ist es ein Transistor auf einem „Chip“ — ein Mikro-Tor, das den Strom durchlässt (1) oder nicht durchlässt (0).

Jedes Bild, jede Bitcoin-Transaktion, jedes Wort, das du jemals eintippst, wird als Muster solcher an- oder ausgeschalteter Schalter gespeichert. In einem Bit gibt es nichts Geheimnisvolles; es ist ein physikalisches Objekt in einem von zwei eindeutig bestimmten Zuständen.

Jede einfache Berechnung besteht nur darin, diese 0en und 1en unglaublich schnell anzuordnen. Ein moderner Chip kann Milliarden solcher Operationen pro Sekunde ausführen, aber er führt jede einzelne Operation trotzdem nacheinander, in Reihenfolge aus.

Quantencomputer verwenden stattdessen das, was man Qubits nennt, statt Bits. Ein Qubit kann 0, 1 oder — und hier wird es seltsam — beides gleichzeitig sein!

Das kann passieren, weil Qubits eine völlig andere Art von physikalischem Objekt sind. Die gängigste Form, und auch die, die Google verwendet, ist ein winziger, supraleitender Metallring, der auf etwa 0,015 Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird — kälter als alles, was es in der Natur gibt, aber dennoch auf der Erde vorhanden.

Bei dieser Temperatur fließt der Strom durch den Ring ohne elektrischen Widerstand, und man sagt, der Strom befinde sich in einem quantenmechanischen Zustand.

In diesem supraleitenden Ring kann der Strom im Uhrzeigersinn fließen (genannt 0) oder gegen den Uhrzeigersinn (genannt 1). Aber im quantenmechanischen Maßstab muss der Strom nicht unbedingt eine Richtung wählen und tatsächlich in beiden Richtungen gleichzeitig fließen.

Verwechsele das nicht mit einem schnellen Hin- und Herwechseln zwischen zwei echten Zuständen. Dieser Strom lässt sich messen, experimentell bestätigen und durch Beobachtung verifizieren: Er befindet sich gleichzeitig in beiden Zuständen.

Überwältigende Physik

Bis hierher alles gut? Gut, denn als Nächstes wird es erst wirklich seltsam: Die Physik hinter der Art, wie es funktioniert, ist nicht auf Anhieb intuitiv — und sie wurde auch nicht dafür geschaffen, intuitiv zu sein.

Alles, womit Menschen im Alltag interagieren, folgt klassischer Physik, die annimmt, dass Materie sich an einem Ort zu einer Zeit befindet. Aber Teilchen verhalten sich nicht so in der ultrakleinen Größenordnung.

Ein Elektron hat keine eindeutig festgelegte Position, bis du dir ansiehst. Ein Photon hat keine eindeutig festgelegte Polarisation, bis du es misst. Ein Strom in einem supraleitenden Ring fließt nicht in eine festgelegte Richtung, bis du ihn dazu zwingst, sich zu entscheiden.

Der Grund, warum wir das im täglichen Leben nicht erleben, ist das Phänomen der Quantenkohärenz — also dass Quantenüberlagerungen verloren gehen. Wenn ein Quantensystem mit seiner Umgebung wechselwirkt — mit Luftmolekülen, mit Wärme, mit Vibrationen und mit Licht — bricht der Überlagerungszustand nahezu augenblicklich zusammen.

Ein Fußball kann nicht gleichzeitig an zwei Orten sein, weil er mit Billionen von Luftmolekülen, Staub, Geräuschen, Wärme, Gravitation usw. interagiert — jede Nanosekunde. Aber wenn man einen winzigen Strom in einer Vakuumumgebung nahe dem absoluten Nullpunkt isoliert, ihn vor allen möglichen Störungen abschirmt, dann bleibt das quantenmechanische Verhalten lange genug bestehen, um zu rechnen.

Darum sind Quantencomputer so extrem schwer zu bauen. Wissenschaftler entwickeln physikalische Umgebungen, in denen die Regeln, die dieses Phänomen sonst verhindern, lange genug eingedämmt werden können, damit eine Rechnung abgeschlossen werden kann.

Das System von Google läuft in sogenannten Verdünnungskühlern, so groß wie große Räume, kälter als alles, was es in der Natur gibt, und von vielen Schichten abgeschirmt — gegen elektromagnetische Störungen, Vibrationen und thermische Strahlung.

Und die Qubits sind immer noch extrem empfindlich selbst dann. Sie verlieren kontinuierlich ihren quantenmechanischen Zustand — daher wird „Fehlerkorrektur“ zum beherrschenden Thema in allen Diskussionen über das Skalieren.

Ein Quantencomputer ist also nicht einfach eine schnellere Version eines klassischen Computers. Er nutzt einen anderen Satz physikalischer Regeln — nur gültig in extrem kleinen Größenordnungen, bei extrem niedrigen Temperaturen und in extrem kurzen Zeitspannen.

Jetzt potenziere das.

Zwei normale Bits können sich in einem von vier Zuständen befinden (00, 01, 10, 11), aber nur in einem Zustand zur selben Zeit (weil der Strom nur in eine Richtung fließt). Zwei Qubits können alle vier Zustände gleichzeitig darstellen, weil der Strom gleichzeitig in alle Richtungen fließt.

Drei Qubits repräsentieren acht Zustände. Zehn Qubits repräsentieren 1.024. Fünfzig Qubits repräsentieren mehr als eine Billion. Die Zahl verdoppelt sich mit jedem hinzugefügten Qubit — deshalb ist das Skalieren extrem exponentiell.

Der zweite Trick heißt Quantenverschränkung. Wenn zwei Qubits verschränkt sind, weiß eine Messung eines Qubits sofort etwas über das andere — unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Das ermöglicht es einem Quantencomputer, das gesamte Set dieser Zustände gleichzeitig auf eine Weise zu koordinieren, die mit normalem parallelem Rechnen nicht möglich ist.

Und diese Quantencomputer werden so eingerichtet, dass falsche Antworten sich gegenseitig auslöschen (wie überlagerte Wellen, die sich glätten) und die richtigen Antworten verstärkt werden (wie Wellen, die sich überlagern und dadurch hochlaufen). Am Ende der Rechnung hat die korrekte Antwort die höchste Wahrscheinlichkeit, gemessen zu werden.

Das ist also keine Brute-Force-Schnelligkeit. Es ist eine völlig andere Art des Rechnens — eine Art, bei der die Natur einen Möglichkeitsraum exponentiell wachsen lässt und ihn dann durch Physik „zusammenfallen“ lässt, statt durch Logik.

Eine riesige Bedrohung für die Kryptografie

Gerade diese überwältigende Physik ist der Grund, warum sie für die Verschlüsselung so bedrohlich ist.

Die Mathematik, die Bitcoin schützt, basiert auf der Annahme, dass das Prüfen jedes Schlüssels länger dauern würde als das Alter des Universums.

Aber ein Quantencomputer prüft nicht jeden Schlüssel einzeln. Er erforscht alles gleichzeitig und nutzt Interferenz, um die richtige Antwort sichtbar zu machen.

Hier liegt der Bezug zu Bitcoin. In die eine Richtung — vom privaten Schlüssel zum öffentlichen Schlüssel — dauert es nur wenige Millisekunden. In die andere Richtung — vom öffentlichen Schlüssel zurück zum privaten Schlüssel — würde ein klassischer Computer eine Million Jahre brauchen, oder sogar länger als das Alter des Universums. Diese Asymmetrie ist genau das, was beweist, dass jemand die Coins besitzt, die er hält.

Ein Quantencomputer, der einen Algorithmus namens Shor ausführt, kann durch diese „Barriere“ hindurchgehen. Die Studie von Google diese Woche zeigt, dass er das mit viel weniger Ressourcen tun kann als zuvor von allen angenommen — und innerhalb eines Zeitrahmens, der direkt mit der Zeit konkurriert, die benötigt wird, um einen Bitcoin-Block zu bestätigen.

Das ist der Grund, warum die Bedrohung durch Quantencomputer, die die Blockchain-Verschlüsselung brechen könnten, bei vielen Menschen für ernsthafte Sorgen sorgt.

Wie so eine Attacke Schritt für Schritt abläuft, was genau die Studie von Google im Detail verändert hat, und was das für die 6,9 Millionen Bitcoin bedeutet, die offengelegt wurden, wird Thema des nächsten Teils dieser Reihe sein.