Eine einfache Erklärung dafür, was Quantencomputing eigentlich ist und warum es für Bitcoin beängstigend ist

Diese Woche veröffentlichte Google ein Paper, das beschreibt, wie ein Quantencomputer theoretisch einen Bitcoin-Private-Key in 9 Minuten ableiten könnte, mit Auswirkungen, die sich auf Ethereum, andere Token, Privatbanken und möglicherweise alles auf der Welt erstrecken.

Quantencomputing wird leicht mit einer schnelleren Version eines herkömmlichen Computers verwechselt. Aber es ist kein leistungsstärkerer Chip oder ein größeres Server-Cluster. Es ist eine grundlegend andere Art von Maschine, anders bis hinunter auf die Ebene des Atoms selbst.

Ein Quantencomputer beginnt mit einer sehr kalten, sehr kleinen Metallschleife, in der sich Teilchen auf eine Weise verhalten, wie sie sich unter normalen Bedingungen auf der Erde nicht verhalten, auf eine Weise, die verändert, was wir als die grundlegenden Regeln der Physik ansehen.

Zu verstehen, was das physikalisch bedeutet, ist der Unterschied zwischen dem Lesen über die Quantenbedrohung und dem tatsächlichen Begreifen davon.

Wie Computer und Quantencomputer tatsächlich funktionieren

Herkömmliche Computer speichern Informationen als Bits — jedes ist entweder eine 0 oder eine 1. Ein Bit ist ein winziger Schalter. Physisch ist es ein Transistor auf einem „Chip“ — ein mikroskopisches Gate, das entweder Strom durchlässt (1) oder nicht (0).

Jedes Foto, jede Bitcoin-Transaktion, jedes Wort, das du je getippt hast, wird als Muster gespeichert, bei denen diese Schalter an oder aus sind. An einem Bit ist nichts Mysteriöses; es ist ein physisches Objekt in einem von zwei eindeutigen Zuständen.

Jede Berechnung besteht nur darin, diese 0en und 1en sehr schnell neu anzuordnen. Ein moderner Chip kann davon Milliarden pro Sekunde ausführen, aber er tut es trotzdem jeweils nacheinander, in Sequenz.

Quantencomputer verwenden statt Bits etwas, das als Qubits bekannt ist. Ein Qubit kann 0, 1 oder — und das ist der seltsame Teil — beides gleichzeitig sein!

Das ist möglich, weil ein Qubit ein völlig anderes physisches Objekt ist. Die gebräuchlichste Version, und die, die Google verwendet, ist eine winzige Schleife aus supraleitendem Metall, die auf etwa 0,015 Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird, kälter als der Weltraum, aber hier auf der Erde.

Bei dieser Temperatur fließt Strom ohne Widerstand durch die Schleife, und man sagt, der Strom befinde sich in einem Quantenzustand.

In der supraleitenden Schleife kann der Strom im Uhrzeigersinn fließen (nennen wir das 0) oder gegen den Uhrzeigersinn (nennen wir das 1). Aber auf Quantenskalen muss der Strom sich nicht für eine Richtung entscheiden und fließt tatsächlich gleichzeitig in beide Richtungen.

Verwechsle das nicht mit einem sehr schnellen Wechsel zwischen den beiden. Der Strom befindet sich messbar, experimentell und verifizierbar gleichzeitig in beiden Zuständen.

Physik, die den Verstand verbiegt

Bisher noch bei uns? Gut, denn hier wird es wirklich seltsam, weil die Physik dahinter nicht unmittelbar intuitiv ist, und das soll sie auch nicht sein.

Alles, womit jemand im Alltag zu tun hat, folgt der klassischen Physik, die davon ausgeht, dass Dinge zu einem Zeitpunkt an einem Ort sind. Aber Teilchen verhalten sich auf subatomarer Ebene nicht so.

Ein Elektron hat keine eindeutige Position, bis man es anschaut. Ein Photon hat keine eindeutige Polarisation, bis man es misst. Ein Strom in einer supraleitenden Schleife fließt nicht in eine eindeutige Richtung, bis man ihn dazu zwingt, sich zu entscheiden.

Der Grund, warum wir das im Alltag nicht erleben, ist Dekohärenz. Wenn ein Quantensystem mit seiner Umgebung, Luftmolekülen, Wärme, Vibrationen und Licht interagiert, kollabiert die Superposition fast augenblicklich.

Ein Football kann nicht an zwei Orten gleichzeitig sein, weil er in jeder Nanosekunde mit Billionen von Luftmolekülen, Staub, Schall, Wärme, Gravitation usw. interagiert. Aber isoliert man einen winzigen Strom in einem Vakuum nahe dem absoluten Nullpunkt, schirmt ihn vor jeder möglichen Störung ab, dann überlebt das Quantenverhalten lange genug, um damit zu rechnen.

Deshalb sind Quantencomputer so schwer zu bauen. Menschen konstruieren physische Umgebungen, in denen die Gesetze der Physik, die normalerweise verhindern, dass so etwas passiert, gerade lange genug in Schach gehalten werden, um eine Berechnung auszuführen.

Googles Maschinen arbeiten in Verdünnungskryostaten von der Größe riesiger Räume, kälter als alles im natürlichen Universum, umgeben von Schichten der Abschirmung gegen elektromagnetisches Rauschen, Vibrationen und Wärmestrahlung.

Und die Qubits sind selbst dann fragil. Sie verlieren ständig ihren Quantenzustand, weshalb „Fehlerkorrektur“ jede Diskussion über Skalierung dominiert.

Quantencomputing ist also nicht einfach eine schnellere Version des klassischen Rechnens. Es nutzt einen anderen Satz physikalischer Gesetze, die nur auf extrem kleinen Skalen, bei extrem niedrigen Temperaturen und über extrem kurze Zeiträume gelten.

Jetzt stapel das alles übereinander.

Zwei reguläre Bits können in einem von vier Zuständen sein (00, 01, 10, 11), aber nur jeweils in einem (da der Strom nur in eine Richtung fließt). Zwei Qubits können alle vier Zustände gleichzeitig darstellen, da der Strom gleichzeitig in alle Richtungen fließt.

Drei Qubits repräsentieren acht Zustände. Zehn Qubits repräsentieren 1.024. Fünfzig Qubits repräsentieren mehr als eine Billiarde. Die Zahl verdoppelt sich mit jedem hinzugefügten Qubit, weshalb die Skalierung so exponentiell ist.

Der zweite Trick heißt Verschränkung. Wenn zwei Qubits verschränkt sind, verrät die Messung des einen einem Beobachter augenblicklich etwas über das andere, ganz gleich, wie weit sie voneinander entfernt sind. Das ermöglicht es einem Quantencomputer, über all diese gleichzeitigen Zustände hinweg zu koordinieren, auf eine Weise, die reguläres paralleles Rechnen nicht kann.

Und diese Quantencomputer werden so eingerichtet, dass falsche Antworten einander auslöschen (wie überlappende Wellen, die sich abflachen) und richtige Antworten sich verstärken (wie Wellen, die sich höher auftürmen). Am Ende der Berechnung hat die richtige Antwort die höchste Wahrscheinlichkeit, gemessen zu werden.

Es geht also nicht um rohe Geschwindigkeit. Es ist ein grundlegend anderer Ansatz zur Berechnung — einer, der es der Natur erlaubt, einen exponentiell großen Möglichkeitsraum zu erkunden und dann durch Physik statt durch Logik zur richtigen Antwort zu kollabieren.

Eine monumentale Bedrohung für die Kryptographie

Diese den Verstand verbiegende Physik ist der Grund, warum sie für Verschlüsselung so beängstigend ist.

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

Aber ein Quantencomputer prüft nicht jeden Schlüssel. Er erkundet sie alle gleichzeitig und nutzt Interferenz, um den richtigen sichtbar zu machen.

Darin liegt die Verbindung zu Bitcoin. In die eine Richtung, vom Private Key zum Public Key, dauert es Millisekunden. In die andere Richtung, vom Public Key zurück zum Private Key, würde ein klassischer Computer eine Million Jahre brauchen, oder sogar länger als das Alter des Universums. Diese Asymmetrie ist das Einzige, was beweist, dass eine Person ihre Coins hält.

Ein Quantencomputer, der einen Algorithmus namens Shor-Algorithmus ausführt, kann diesen Schutzmechanismus in umgekehrter Richtung durchlaufen. Googles Paper zeigte diese Woche, dass er dies mit deutlich weniger Ressourcen tun könnte, als irgendjemand zuvor geschätzt hatte, und innerhalb eines Zeitrahmens, der gegen die eigenen Blockbestätigungen von Bitcoin anrennt.

Deshalb macht die Bedrohung durch Quantencomputer, die Blockchain-Verschlüsselung brechen, wirklich alle sehr nervös.

Wie dieser Angriff Schritt für Schritt funktioniert, was Googles Paper konkret verändert hat und was das für die bereits exponierten 6,9 Millionen Bitcoin bedeutet, ist das Thema des nächsten Beitrags in dieser Serie.