Durchbruchstimmung und Sicherheitsrisiken Im Quantencomputing ist wirtschaftlicher Nutzen in Sichtweite

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Quantencomputer sind keine ferne Zukunftsvision mehr – erste praxistaugliche Systeme sind bereits im Einsatz. Während Unternehmen und öffentliche Netze von neuen Rechenmodellen und der Quantensensorik erheblich profitieren können, wächst zugleich das Risiko für Cyber-Angriffe. Dennoch wird Quantencomputing Rechenzentren, Kryptografie, KI-Integration und Energie-Optimierung einschneidend verändern.

Beim Thema Quantencomputing denken viele noch an Zukunftsmusik, an Forschungseinrichtungen und spezielle Labore, in denen die neuen Supercomputer in besonders gekühlten Umgebungen zu reinen Testzwecken betrieben werden. Doch Quantencomputer sind dem praktischen Einsatz mittlerweile sehr nahe und sind zum Teil sogar bereits im Einsatz. Gerade auch deutsche Unternehmen konnten sich dabei für die Spitzentechnologie rechtzeitig profilieren.

Erste praxistaugliche Modelle und Cluster

Integrationsfähige, verlässlich einsetzbare Quantencomputer als Serienprodukt werden bis etwa Ende 2030 erwartet. In Hamburg ist ein industrietauglicher Quantencomputer-Demonstrator bereits im Einsatz. Auch in München ist ein erstes Quantencomputer-Rechenzentrum in Betrieb, bei dem es sich sogar um ein Cluster aus mehreren Systemen handelt.

Unternehmen können Quanten-Rechenzeit bei der Firma IQM für zurzeit 1.800 Euro pro Stunde buchen. Der praktische Nutzen von Quantencomputern ist also bereits heute – via Zugang über die „Q-Cloud“ - in Reichweite.

Im DataCenter-Diaries-Podcast #45 „Matthias Reidans: Was darf die Welt 2025 im Quantencomputing erwarten?“ nehmen Ulrike Ostler und Matthias Reidans von Rosenberger OSI auch Neulinge mit in die Welt der Verschränkung und der Superposition.

Sie ergründen den tatsächlichen Stand der Entwicklung und erste Anwendungsbeispiele sowie Potenziale der Quantensensorik und einer quantensicheren Kommunikationstechnik, aber auch Gefahren wie den Wettlauf mit Cyber-Kriminellen.

Die Podcast-Folge #45 von DataCenter Diaries findet sich auf Spotify, Apple Podcasts, Deezer und Amazon Musik.

(Anmerkung von Matthias Reidans aus LinkedIn: „ I need to admit one thing…. [bezüglich Nokia] ... :

Tatsächlich hat ein Freund bei Nokia mir das geschickt und zwar am Tag nach unserem Podcast ☺️☝🏻 Totgesagte leben länger 🤩 allen, die den Podcast hören sei gesagt, das hatte ich tatsächlich nicht auf dem Radar, nachdem Microsoft ja eine Entscheidung getroffen hatte -für Ben Bloom eben. Also Hut ab 🙏🏻 vor den Nokia Bell Labs - 🥼 Never underestimate the power of innovation." .“ )

Die führenden US-amerikanischen Cloud-Anbieter Amazon, Google, IBM und Microsoft investieren zusammengerechnet zweistellige Milliardenbeträge und haben schon eine signifikante Anzahl von Systemen in der Erprobung. Sobald diese Technologien dann in der Breite verfügbar sein wird, wird ihre Nutzung rasant zunehmen, allerdings auch bei Cyber-Kriminellen. Darauf sollten sich Unternehmen schon heute vorbereiten.

Nicht jedes Unternehmen braucht einen eigenen Quantencomputer

Es ist auch nicht zu erwarten, dass jedes Unternehmen einen eigenen Quantencomputer anschaffen muss. Wahrscheinlich wird es hier sehr ähnliche Nutzungsmodelle geben wie bei der Nutzung von KI.

Matthias Reidans, Senior Project Manager bei Rosenberger OSI meint dazu: „Mittelständische Unternehmen können Ressourcen in der Cloud bei großen Hostern buchen und so komplexe Berechnungen auslagern, wie es bereits bei IQM in München der Fall sein kann, sofern die Programmierung der Aufgaben mittels einer Quantum-adaptierten Version vorbereitet wurde. Hinzu kommt, dass auch Quantencomputer in der Entwicklung sind, die teilweise sogar bei Raumtemperatur arbeiten, zum Beispiel mit der Technologie der ‚Diamond Vacancies‘ (zum Beispiel bei Quantum Brilliance oder AQT)“. Damit wird der Einsatz noch einfacher, denn die Hürden für den Betrieb von Quantencomputern können niedriger sein als oft erwartet. Bei diesem Prinzip werden Fehlstellen in einem Diamant-Gitter benutzt, um dort Elemente zu implementieren, die dann zu Qubits „mutieren“.

Aber auch Prozessorchips auf Siliziumbasis können mit Qubits ausgestattet werden, so dass mobile und einfach zu installierende Quantencomputer möglich werden und Konzepte und sogar Aufträge dafür vorliegen.

High Performance Computing und die Quantenleistung

Während mittelständische Unternehmen also in Zukunft Ressourcen von Quantencomputern bei Hostern buchen können, werden größere Konzerne vermutlich eigene Geräte betreiben. Schon heute setzen Unternehmen wie BASF auf High-Performance-Computing-Instanzen, an die Quantencomputer angebunden werden sollen. Der Chemiekonzern betreibt den größten HPC-Cluster der chemischen Industrie in Europa. Das zeigt, wie wichtig es ist, Quantencomputer in bestehende, moderne Rechenzentren integrieren zu können.

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In Zukunft werden Unternehmen Quantentechnologie an verschiedenen Stellen einsetzen, nicht nur im Rechenzentrum. Für Industrie-Anlagen sind beispielsweise Quantensensoren relevant. Sie sind viel genauer und schneller als herkömmliche Sensoren.

Damit lassen sich Echtzeitüberwachung und -steuerung sehr viel effektiver umsetzen als bisher (Dazu Reidans auch im Podcast #45). Diese bahnbrechende Sensorik misst und bewertet direkt oder indirekt sowohl Gravitations- als auch Kernkraft- und elektromagnetische Eigenschaften.

Quantencomputer und das maschinelle Lernen

Quantencomputer und Künstliche Intelligenz (KI) können durch ihre jeweiligen Stärken in vielfacher Beziehung voneinander profitieren. Maschinelles Lernen, das auf großen Datenmengen und komplexen Algorithmen basiert, kann durch Quantensystem-geeignete Algorithmen erheblich beschleunigt werden, insbesondere bei der Optimierung und dem Training von Modellen.

KI wiederum kann genutzt werden, um die Entwicklung und Implementierung von Quantenalgorithmen zu verbessern, indem sie Muster erkennt und optimierte Lösungen vorschlägt. So wird die Kombination von Quantencomputing und KI in Bereichen wie der Kryptographie, Materialwissenschaft oder der Industrie revolutionäre Fortschritte ermöglichen.

Erneuerbare Energien und Stromnetze profitieren von Quantencomputern

Erneuerbare Energien und Energieversorger können durch den Einsatz von Quantencomputern erheblich profitieren, insbesondere bei der Optimierung komplexer Systeme und der Verbesserung von Vorhersagemodellen. Quantencomputer sind in der Lage, große Mengen an Echtzeitdaten, wie Wetterbedingungen, Energiebedarf und Netzbelastung, parallel zu verarbeiten und so präzisere Vorhersagen für die Energieproduktion aus Wind, Solar und anderen erneuerbaren Quellen zu treffen.

Dies ermöglicht eine effizientere Integration erneuerbarer Energien in bestehende Stromnetze und minimiert Schwankungen, die durch die unvorhersehbare Natur dieser Energiequellen entstehen. Zudem können Quantenalgorithmen dabei helfen, die Verteilung und Speicherung von Energie zu optimieren, indem sie ideale Szenarien für den Einsatz von Batteriespeichern oder die Verteilung überschüssiger Energie zu ermitteln. Energieversorger profitieren somit von einer stabileren und effizienteren Energieversorgung bei gleichzeitiger Reduzierung von Kosten und CO₂-Emissionen.

Keine Blackouts dank Quantencomputing

Nicht nur sind Quantencomputer selbst regulär nicht auf Unmengen an Energie angewiesen, sie können sogar helfen, Energie zu sparen. Für KI-Berechnungen sind Quantencomputer herkömmlichen Computern mit heutigen Spitzenprozessoren in Teilbereichen deutlich überlegen. Es ist zu prüfen, ob mit Quantencomputern beispielsweise ganze Modulbänke in Rechenzentren eingespart werden können. Dafür müssen die Grundlagen, wie die erfolgreiche Konfiguration von Hybridclustern, jetzt geschaffen werden.

Neben der Optimierung von Stromnetzen, um drohende Blackouts zu vermeiden, können Quantencomputer Echtzeitmodellierungen durchführen und so Lastschwankungen, Ausfälle oder Störungen vorhersagen und verhindern. In Verbindung mit KI ergeben sich hier zahlreiche Möglichkeiten, die mit heutigen Computern nicht realisierbar sind.

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Quantencomputer können Steuerungssysteme auf einem ganz anderen Leistungsniveau als bisher automatisieren und koordinieren. Durch verbesserte Stromflüsse, auch im Bereich der erneuerbaren Energien, können Quantencomputer in Zukunft Stromnetze folglich stabiler halten. Auch die großen Energieversorger warten daher dringend auf die dafür ausreichende quantenbasierte Rechenkapazität und haben dafür eigene Programme und Abteilungen geschaffen.

Auf Chancen folgen Gefahren

Zu den Chancen von Quantencomputern kommen allerdings auch Gefahren, die in den nächsten Jahren hervortreten werden und die bereits heute relevant sind: Der heutige Standard der Verschlüsselung für Datenverkehr und -speicherung kann durch Quantencomputer in kurzer Zeit kompromittiert werden.

Wenn Cyber-Kriminelle die Rechenleistung von Quantencomputern in Verbindung mit KI nutzen, entsteht ein enormes Risikopotenzial für Unternehmen und Behörden.

Warum ist das so? Im Gegensatz zu klassischen Computern, die Informationen in Bits als 0 oder 1 speichern, arbeiten Quantencomputer mit Qubits, die sich in einer Überlagerung mehrerer Zustände befinden können (Superpositionen).

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Per Anhalter durch das Quantencomputing

Diese Überlagerung ermöglicht es, viele Rechenoperationen gleichzeitig auszuführen, was die Effizienz bei bestimmten komplexen Problemen erheblich steigert. Dieses Prinzip kann für Brute-Force-Attacken auf verschlüsselte Datenpakete ebenso verwendet werden. Darüber hinaus nutzen Quantencomputer dafür auch „Verschränkungen“, so dass Qubits in speziellen Verfahren unabhängig von ihrer räumlichen Position miteinander korrelieren (siehe: Quantum entanglement.

Diese Effekte ermöglichen es Quantencomputern also, exponentiell viele Zustände parallel zu verarbeiten und so in kurzer Zeit Ergebnisse zu erzeugen, die mit rein digital-binär aufgebauten Computern nicht realisierbar sind.

Kriminelle horten bereits gestohlene Daten

Unternehmen sind daher gut beraten, möglichst bald auf die so genannte Post-Quantum-Verschlüsselung zu setzen. Diese nutzt spezielle Technologien, die auch von Quantencomputern nicht geknackt werden können. Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) treibt die Standardisierung solcher Algorithmen voran und hat bereits mehrere Kandidaten ausgewählt, die den hohen Anforderungen an Sicherheit und Effizienz genügen sollen.

Vorbereitung auf das Quantencomputing

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Auch das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) beschäftigt sich bereits seit Jahren mit dem Thema. Die Ruhr-Universität Bochum ist an der Forschung beteiligt und gehört zu den weltweit führenden Instituten auf diesem Gebiet.

Es gibt also bereits Standards für die Post-Quantum-Verschlüsselung, die investitionssicher sind. Unternehmen sollten daher so schnell wie geboten handeln.

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Viele fragen sich, warum schon jetzt so viel Aufhebens um Verschlüsselung gemacht wird, obwohl Quantencomputer noch gar nicht allgemein verfügbar sind. Nach dem Konzept „Harvest now, decrypt later“ oder „Store now, decrypt later“ können Angreifer aber bereits heute verschlüsselte Daten abfangen und speichern, in der Erwartung, dass in naher Zukunft leistungsfähige Quantencomputer entwickelt werden. Sensible Unternehmensdaten sind dann oft noch wertvoll.

Angreifer setzen daher heute auf vielfältigen Datendiebstahl, obwohl sie das Material noch nicht entschlüsseln können. Sie gehen dabei aber davon aus, dass sich dies bald ändern wird! Aus diesem Grund sollten sich Unternehmen jeder Größe, die in kritischen Geschäftsfeldern unterwegs sind, so schnell wie möglich mit dem Thema Quantencomputer auseinandersetzen.

Redundanzen für das Militär, geringere Wartezeiten für Passagiere

Auch im militärischen Bereich wird mit einem anderen technologischen Schwerpunkt zum Thema „Quantensichere Netzwerke“ geforscht. Dabei geht es um Redundanz, zum Beispiel zwischen verteilten Standorten, sowie um hochsichere Hard- und Software.Die Gründe sind zusammenfassend gesagt also nicht nur Gefahren, die von dieser neuen Generation von Computern ausgehen, sondern auch die enormen Möglichkeiten, die sie für Unternehmen und Behörden letztlich aller Größen und Branchen bietet.

Unternehmen können ihre neu formulierten Aufgabenstellungen in Zukunft von Quantencomputern ausführen lassen und so neben der Kosteneinsparung ungeahnte Potenziale dieser Hochleistungsmaschinen entdecken. Ein entscheidendes Anwendungsfeld sind Wetter- und Klimaberechnungen in Verbindung mit KI. So können Unwetter zuverlässiger vorhergesagt werden.

Die Endkunden profitieren aber nicht bloß von solchen Fällen. In Kooperation mit der Universität Hamburg plant die Lufthansa, die Gate-Zuordnungen an Flughäfen zu optimieren, um die Wartezeiten der Passagiere zu verkürzen und damit die Abfertigung zu beschleunigen. Vor allem an Drehkreuzen können dadurch erhebliche Verkürzungen der Wartezeiten erreicht werden.

Quantencomputer brauchen optimale Rahmenbedingungen

Die meisten Quantencomputer werden aufgrund ihrer Komplexität und Empfindlichkeit in großen Rechenzentren betrieben, wobei auch die Verkabelungsqualität und die physischen Raumeigenschaften – der Schutz vor Erschütterung und elektromagnetischen Störeinflüssen – eine große Rolle spielen.

Schließlich sind Glasfasern ein wichtiger Faktor für die Anbindung und Verbindung von Quantencomputern. Der geeignete Aufbau einer passiven und aktiven Dateninfrastruktur, das Design von Rechenzentren mit spezieller Ausrichtung von geeigneten Compartments und der Systemverbund eines komplexen Quantencomputer-Systems sind dabei wichtige Eckpunkte einer gelungenen Integration.

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Auch hier sollten Unternehmen bereits jetzt planen, wie sie mit dem Thema umgehen wollen. Matthias Reidans sagt dazu: „In Zukunft wird es eine Vielzahl von Quantencomputer-Installationen geben. Dabei sind die technischen und die wirtschaftlichen wie organisatorischen Rahmenbedingungen essenzielle, sorgfältig abzuwägende Faktoren für den Betrieb. Daher kann es bereits heute sinnvoll sein, diese Rahmenbedingungen im eigenen Rechenzentrum möglichst detailliert und vorausschauend zu berücksichtigen. Planen Unternehmen einen Ausbau, sollte dieser einem möglichen Einsatz von Quantencomputern möglichst nicht entgegenstehen“.

Erfahrung mit Großrechneranlagen bietet Vorteile

Diesen Einsatz vorzubereiten, können insbesondere Unternehmen, die sich auf Infrastrukturen in Rechenzentren spezialisiert haben und sich bereits parallel mit Quantencomputern beschäftigen. Der Betrieb von Quantencomputern lässt sich teilweise mit dem von Großrechnern vergleichen, die bereits seit den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts eine etablierte Technologie darstellen. Die Anforderungen sind ähnlich – allerdings mit manchen Unterschieden, speziell bei Tiefsttemperatur- und Hochvakuumsystemen.

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Dennoch lässt sich sagen, die jahrzehntelange Erfahrung mit Großrechneranlagen bietet Vorteile - auch für den möglichst sorgenfreien, zukünftigen Betrieb von Quantencomputern. Dies sollten sich Unternehmen als „knowledge-asset“ zunutze machen. Engpässe wird es bald weniger bei der Verfügbarkeit der entsprechenden Hardware geben als vielmehr beim ausgebildeten Personal, das diese bahnbrechende Technologie betreut, etabliert, überwacht und in der erforderlichen Tiefe auch versteht.

Am Anfang des Quantencomputer-Zeitalters in Europa und der ganzen Welt steht demzufolge zunächst auch die Investition in die menschlichen Ressourcen dafür und in die Bewusstseinsmachung dieser epochalen Veränderung. Der „paradigm-shift towards Quantum“ hat schon begonnen. Die folgenreichste Erfindung der Menschheit seit dem Rad und der Beherrschung des Feuers, wie es manche Insider prophetisch ausdrücken, hat seine ersten Meilensteine geschafft.

Unsere gemeinsame Reise in die Quanten-Ära geht los.

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