Vorbereitung auf den Quantensprung

Quanten-Informationstechnologie gehört zu den nächsten großen Trends im Technologiebereich. Sie verspricht, die Welt auf spannende, aber auch besorgniserregende Weise zu verändern. Ihr entscheidender Wert besteht darin, Lösungen für bestimmte Probleme bieten zu können, für die derzeitige digitale Supercomputer Milliarden von Jahren bräuchten. Ein weiterer Pluspunkt ist die Fähigkeit der Technologie, den Bedarf an immer intensiverer Datenverarbeitung zu decken, der durch künstliche Intelligenz, virtuelle Realität, Blockchain und Kryptowährungen entsteht.

Es überrascht deshalb nicht, dass der Marktwert von Quantencomputing als Teilgebiet der Quantentechnologie schätzungsweise 1,3 Billionen USD bis 2035 erreichen wird. Nun geht es darum, dafür zu sorgen, dass die Entwicklung der Technologie verantwortungsvoll geschieht, und genau dabei spielen Normen eine wichtige Rolle.

Die Quantentheorie existiert bereits seit über 100 Jahren. Die erste Quantenrevolution brachte Erfindungen wie Laser und Transistoren hervor, die die Grundlage für die Entwicklung von Computern bilden. Wir befinden uns jetzt mitten in einer Phase, die viele Physiker als die zweite Quantenrevolution bezeichnen und in der die Quantenmechanik zu deutlich praktischeren und weitreichenderen Zwecken genutzt werden soll.

Moderne Quantentechnologien lassen sich in drei Kernbereiche einteilen:

1. Quantenkommunikation, dazu gehören Prozesse, in denen geheime Schlüssel zur Kommunikation mittels Qubits sicher generiert, übermittelt und empfangen werden.
2. Quantencomputing, bei der die grundlegenden Eigenschaften der Quantenmechanik genutzt werden, um spezifische Probleme zu lösen, die für heutige Computer unlösbar wären.
3. Quantensensorik und -metrologie ermöglichen hochpräzise Messungen basierend auf den Veränderungen der Eigenschaften von Quantenzuständen durch den Einfluss magnetischer Felder und der Schwerkraft.

Im medizinischen Bereich finden Quantensensoren bereits Anwendung, da sie magnetische Felder und andere Elemente mit unglaublich hoher Auflösung und Empfindlichkeit erfassen können. Sie erkennen Zellen und Moleküle im Nanobereich und bieten damit viele Möglichkeiten im Bereich der wissenschaftlichen Forschung und der Arzneimittelforschung.

Quantentechnologien ermöglichen zudem eine deutlich genauere und zuverlässigere Navigation als aktuelle GPS-Systeme und haben das Potential, zur Bewältigung globaler Herausforderungen wie dem Klimawandel durch weltweite Simulationen beizutragen. Wettervorhersagen und Klimamodelle werden verbessert und die Entwicklung und Entdeckung neuer Formen der Energieerzeugung und -speicherung werden beschleunigt. Im Umweltbereich können Quantentechnologien dazu genutzt werden, kleinste Veränderungen hinsichtlich der Schwerkraft und damit der Massendichte zu erkennen, wodurch Materialveränderungen bzw. Hohlräume unter der Erde entdeckt werden können, was wiederum dazu genutzt werden kann, die Bildung von Dolinen vorherzusagen und komplexe Tunnelstrukturen abzubilden.

Dem Weltwirtschaftsforum (WEF) zufolge investieren Staaten weltweit in großem Umfang in Quantentechnologien, um sicherzustellen, dass sie Teil der künftigen Quantenökonomie sind. Vor kurzem veröffentlichte das WEF einen sog. Quantum Economy Blueprint, in dem die Wichtigkeit internationaler Zusammenarbeit zur Sicherstellung der Lieferung eines Mehrwerts durch die Quantenökonomie hervorgehoben wird.

Doch die Quantentechnologie muss erst noch ein paar Herausforderungen bewältigen, bevor sie wirklich durchstarten kann. Eine davon ist der Umstand, dass Qubits sensibel auf Umwelteinflüsse reagieren und fehleranfällig sind. Außerdem müssen viele Quantenbauelemente bis fast auf den absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) heruntergekühlt werden, damit sie zuverlässig funktionieren, wie beispielsweise supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (en: Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors, SNSPDs).

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Eine weitere Herausforderung ist das Thema Cybersecurity. Der Quantenschlüsselaustausch kann eine sichere Übermittlung vertraulicher Daten sicherstellen, doch Quantencomputing könnte gleichzeitig viele der heute gängigen Verschlüsselungssysteme knacken, die unter anderem für die Sicherung von Banktransaktionen, persönlichen Daten und Blockchain, verwendet werden, wodurch sämtliche Kryptowährungen wertlos werden könnten.

Aus diesem Grund ist es erforderlich, sich Gedanken über die „Post-Quantum Security“ zu machen. Normen sind eine gute Möglichkeit, um zu unterstützen, das Problem zu lösen. Sie ermöglichen es, die Vorteile von Quantentechnologien ohne die Risiken zu nutzen. Entsprechende Arbeiten hierzu sind bereits in vollem Gange.

ISO/IEC JTC 1/SC 27, das gemeinsame Komitee von ISO und IEC, insbesondere bekannt für die Normenreihe ISO/IEC 27000 zur Verbesserung der IT-Sicherheit bzw. Cybersecurity, erkundet beispielsweise Möglichkeiten zur Entwicklung einer quantensicheren Kryptografie.

Das US National Institute for Standards and Technology (NIST) hat vor kurzem nationale Normen entwickelt, die technische Verfahren („Schemes“) beschreiben, die darauf ausgelegt sind, zukünftigen Angriffen durch Quantencomputer standzuhalten. Dazu gehören bestimmte Verschlüsselungsverfahren, die dazu genutzt werden können, einen gemeinsamen geheimen Schlüssel zwischen zwei Parteien, die über einen öffentlichen Kanal kommunizieren, zu generieren, sowie Verfahren für digitale Signaturen, die zur Erkennung von unerlaubten Veränderungen von Daten und zur Authentifizierung der Identität der bzw. des Unterzeichnenden verwendet werden.

Internationale Zusammenarbeit ist wichtig für eine sichere und ethische Quantentechnologie und um dafür zu sorgen, dass das volle Potential der Technologie ausgeschöpft werden kann. Starke Regulierungsrahmen und Leitlinien für eine verantwortungsvolle Entwicklung der Quantentechnologie sind notwendig, um die Vorteile der Technologie nutzen zu können.

Der Quantum Economy Blueprint des WEF weist auf die Notwendigkeit internationaler Zusammenarbeit hin und hebt die Bedeutung von Normen als „notwendige Werkzeuge, die die heutige Landschaft verschiedener Branchen prägen, Innovation fördern und die Zuverlässigkeit und Interoperabilität von Systemen sicherstellen“, hervor. Mehrere Standardisierungsorganisationen, darunter IEC, arbeiten bereits an Standards zu Quantentechnologien. 2021 und 2022 wurde von einigen wichtigen Akteuren im Standardisierungsbereich, darunter IEC, eine Reihe von Symposien organisiert, um zu diskutieren, in welchen Bereichen Standardisierung besonders nützlich wäre.

Dr. Richard Pitwon ist Experte für Quantentechnologien und Mitglied mehrerer Technischer Komitees und Subkomitees der IEC in diesem Bereich. Er ist Vorsitzender von „SC 86B: Fibre optic interconnecting devices and passive components“. Außerdem ist er Mitglied von IEC/ISO JTC 3, dem neuen gemeinsamen Komitee von IEC und ISO zu Quantentechnologien.

Pitwon sagt, dass Normen nicht Innovationen bremsen, sondern vielmehr helfen, eine Grundlage zu schaffen, auf der Innovationen gedeihen können. „Wir stehen noch am Anfang im Hinblick auf Quantentechnologie und es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, wie sich die Technologie entwickeln kann, deshalb ist Innovationsfreiheit so wichtig. Damit sich die Quantentechnologie entwickeln kann, müssen wir aber über Möglichkeiten verfügen, um Dinge auszutesten. Außerdem müssen wir in der Lage sein, Best Practices zu dokumentieren und Konsistenz sowie Interoperabilität sicherzustellen“, erklärt er. „Hier werden Normen eine Schlüsselrolle spielen.”

Zu den Aufgaben von JTC 3 gehört es, die bestehenden Bemühungen weltweit zu koordinieren und auf diesen aufzubauen, um internationale Normen im Bereich Quantenmetrologie, Quantenquellen, Quantendetektoren, Quantenkommunikation und anderer grundlegenden Quantentechnologien zu entwickeln.

Das gemeinsame Komitee hat mit ISO/IEC 4879 bereits eine Norm entwickelt, die die Terminologie im Zusammenhang mit Quantentechnologien festlegt, wodurch eine einheitliche Sprache geschaffen wird, in der Konzepte zu Quantencomputing diskutiert werden können. Aktuell arbeitet das Komitee an einer Normungs-Roadmap, die eine Einführung in die Quantenkommunikation enthält und einen Überblick über die aktuell und in Zukunft benötigten Normen gibt.

Auch wenn es noch Jahre dauern kann bis sich das Versprechen der Quantentechnologie wirklich realisiert, entwickeln die meisten Länder bereits Quantenprogramme, zum einen aus Angst, etwas zu verpassen, zum anderen aus Angst um die nationale Sicherheit.

Die Verfasser*innen von internationalen Normen sind mittendrin, ihre Entwicklung geht mit der der Quantentechnologie einher, um uns auf dem Weg in eine verantwortungsvolle Zukunft der Quantentechnologie zu unterstützen.

Redaktioneller Hinweis:

Der englischsprachige Originalartikel von Clare Naden erschien erstmals auf etech.iec.ch in der Ausgabe 05/2024 unter:
https://etech.iec.ch/issue/2024-05/getting-ready-for-the-quantum-leap

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