„Quantencomputer” – ein Begriff, der einem des öfteren unterkommt, wenn man technisch affin ist und insbesondere dann, wenn man sich mit Kryptographie und Kryptowährungen beschäftigt.
Quantencomputer werden die Welt der IT und möglicherweise auch der Wissenschaft grundlegend verändern. Die Art und Weise, Berechnungen durchzuführen, ist revolutionär. Doch es gibt auch eine Kehrseite der Medaille: Könnten Quantencomputer dazu genutzt werden, kryptographische Systeme wie Bitcoin zu knacken? Und wenn ja, welche Möglichkeiten gibt es, das System davor zu schützen?
In diesem Artikel wollen wir diesen Fragen auf den Grund gehen und dir eine kurze Einführung in diese Thematik geben.
Inhaltsverzeichnis
Was sind eigentlich Quantencomputer?
Viele Menschen haben bereits schon einmal von einem “Quantencomputer” gehört und manche von ihnen haben vielleicht eine ungefähre Vorstellung, wie diese Technologie funktioniert. Doch so richtig verstanden haben das Konzept eines Quantencomputers mit Sicherheit nur einige wenige.
Quantencomputer sind in der Lage, weitaus mehr Daten pro Sekunde zu verarbeiten, als es mit herkömmlicher Technologie jemals möglich wäre. Während normale Computer, wie dieser an dem ich gerade den Artikel schreibe, nur ‘1’ und ‘0’ (Bits) als Signale für ihre Operationen kennen, nutzen Quantencomputer den Quantenzustand aus, sog. “Qubits” (Quanten-Bits).
Diese Qubits haben eine einzigartige Eigenschaft, die ein normales Bit (1 oder 0) nicht vorweisen kann, nämlich das ein Qubit 0 und 1 gleichzeitig sein kann, oder aber auch endlose Zustände dazwischen annehmen könnte. Eine gute Analogie ist ein Münzwurf. Wenn du eine Münze in die Luft wirfst, die sich schnell um die eigene Achse dreht, kannst du wenn sie in der Luft ist nicht sagen, in welchem Zustand sie sich befindet.
Ein Qubit kann demnach mehr Informationen enthalten, als ein Bit. Das macht es für die Computer-Technologie so interessant, da man dadurch ganz anders geartete Anwendungen und Rechenoperationen kreieren kann.
Potentielle Anwendungsgebiete sind:
- Simulationen für Natur- und Ingenieurwissenschaften (z.b. Physik, Materialforschung, etc.)
- Betriebswirtschaftliche Berechnungen und Optimierungen
- Künstliche Intelligenz
- Kryptographie
In den letzten Jahren hat sich dieser Sektor enorm weiterentwickelt und viele große Unternehmen forschen an dieser Technologie, um mit ihr zu arbeiten. Es könnte eine der bedeutendsten Errungenschaften dieses Jahrhunderts werden.
Besonders interessant wird es, wenn man sich über Quantencomputer im Zusammenhang mit Bitcoin Gedanken macht. Die Frage die sich stellt ist: Wäre ein leistungsfähiger Quantencomputer dazu in der Lage, die Bitcoin-Blockchain zu knacken? Wäre es das Ende für alle Kryptowährungen?
Quantencomputer & Bitcoin: Was wäre wenn?
Wichtig bei dieser Frage ist zu differenzieren, zwischen der Blockchain als technologisches Konzept und Projekte wie Bitcoin, mit der man diese nutzt. Für die Bitcoin-Blockchain sind Quantencomputer aktuell keine Bedrohung, da die heutigen Quantencomputer nicht dazu in der Lage sind, die Bitcoin-Blockchain zu knacken. Jedoch gilt das nicht bis in alle Ewigkeit und der Fortschritt ist nicht aufzuhalten.
Bitcoin verwendet zwei Sicherheitsmechanismen, die Hashing-Funktion bei der Erstellung eines neuen Blocks und den ECDSA-Algorithmus für die Signaturen. Für einen leistungsfähigen Quantencomputer wäre der ECDSA-Algorithmus vermutlich kein großes Problem, daher muss er in der Zukunft besser geschützt werden.
ECDSA steht für “Elliptic Curve Digital Signature Algorithm” und gilt als der absolute Standard bei der Erstellungen von Schlüsseln in kryptographischen Systemen. Der Algorithmus wird dabei zum Signieren von Transaktionen auf der Blockchain verwendet. Dieses System ermöglicht es uns auch, einen Private Key und von ihm ausgehend einen Public Key mit 256-Bit-Verschlüsselung zu erstellen.
Den Private Key eines Public Keys zu erraten wäre unmöglich, ihn zu berechnen würde länger dauern als viele tausend Menschenleben. Ein Quantencomputer allerdings könnte aufgrund seiner Eigenschaften zukünftig in der Lage sein, den ECDSA anzugreifen und so den Private Key zu einer Bitcoin-Wallet erlangen.
Experten von der National University of Singapore untersuchten die potentiellen Gefahren des Quantencomputing auf Bitcoin und rechnen damit, dass bereits 2027 ein Quantencomputer in der Lage sein könnte, den Algorithmus zu knacken.
Welche Quantencomputer gibt es aktuell?
Wenn es um Quantencomputer geht, bewegen wir uns zumeist noch in der Theorie und beschäftigen uns mit verschiedenen Konzepten, mit denen man zukünftig potentiell einen tatsächlichen Quantencomputer realisieren könnte. Aktuell gibt es die folgenden:
- Google Sycamore und Google Bristlecone mit 53 bzw. 72 Qubits
- Virtuelle Quanten-Simulatoren von Microsoft, die praktisch einen Quantencomputer auf einem herkömmlichen (Super-)Computer realisieren
- IBM bietet einen Online-Zugang auf den Quantenprozessor Q Experience, der eine Leistung von 20 Qubits hat. Der Prozessor basiert auf Supraleitern und in der Labor-Version schafft er sogar schon 50 Qubits. Mit an der Forschung beteiligt war die Fraunhofer-Gesellschaft.
Doch nicht nur Privatunternehmen widmen sich der Quanten-Technologie. Auch viele Regierungen und staatliche Forschungsorganisationen zeigen Interesse. Im Juni 2020 beschloss die deutsche Bundesregierung z.B. ein 130 Milliarden Euro Konjunkturprogramm. Ganze 2 Milliarden Euro werden dafür aufgewendet, die Erforschung der Quanten-Technologie zu finanzieren. Am Ende sollen zumindest zwei Prototypen eines voll-funktionsfähigen Quantencomputer bereit stehen.
Quantenresistente Kryptowährungen
Wie kann man eine Kryptowährung vor potentiellen Quantencomputer-Angriffen schützen? Dabei gibt es grundsätzlich zwei Ansätze: 1. Man implementiert einen quanten-resistenten Layer auf eine bestehende Blockchain, oder man entwickelt von Grund auf eine neue Blockchain. Dabei wird auch gerne der Begriff “Post-Quanten-Kryptographie” verwendet, einem Teilgebiet der Kryptographie-Forschung, der sich mit neuartigen Algorithmen beschäftigt.
Ein Beispiel für den zweiten Ansatz ist z.B. Quantum Resistent Ledger (QRL), die von einer gemeinnützigen Stiftung in der Schweiz betrieben wird. Die QRL-Blockchain wurde so konzipiert, dass kein Quantencomputer die Chance hat, sie zu knacken.
Dabei werden Extended Merkle Signature Schemes (XMSS) verwendet. Das ist ein Signatur-Konzept basierend auf Hashs, das im Unterschied zu ECDSA nicht für Attacken durch Quantencomputer anfällig ist.
Jedoch gibt es insgesamt nicht viele Organisationen, die sich dieser Forschung im Kontext mit der Blockchain-Technologie widmen. Doch kann man erwarten, dass mit den wachsenden Fortschritten auf Seiten der Quantencomputer auch die Bemühungen um quantenresistente Blockchains steigen wird.
Fazit: Bitcoin kann aufgerüstet werden
Die Zukunft ist derzeit ungewiss, in der Gegenwart jedoch sind Quantencomputer keine Gefahr für Bitcoin und andere Kryptowährungen. Erst wenn der für das Mining verwendete SHA-256 Hash-Algorithmus geknackt werden kann, wird es brenzlig. Jedoch gibt es eine Lösung und das ist ein einfaches Upgrade auf einen stärkeren Hash-Algo, wie SHA-512, oder aber aus der noch höheren SHA-3 Gruppe. Darüber hinaus ist der Bau und Betrieb eines Quantencomputers sehr komplex und kostspielig. Man kann davon ausgehen, dass Regierungen und Privatunternehmen lange Zeit die einzigen Entitäten sein werden, die Zugriff auf einen eigenen Quantencomputer haben.