Google meldet „magischen“ Quantendurchbruch, Bitcoin-Q-Day droht

Googles jüngster Durchbruch in der Quantenforschung

Google Quantum AI gab am Donnerstag bekannt, dass Forscher auf dem firmeneigenen Willow-Quantenprozessor erfolgreich eine Technik namens „Magic State Cultivation“ demonstriert haben und damit ein seit langem bestehendes Hindernis bei der Entwicklung groß angelegter, fehlerkorrigierter Quantencomputer überwunden haben.

Die in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichte Studie erzielte eine 40-fache Reduzierung der Fehler im Vergleich zu Quantenzuständen, die diesem Prozess nicht unterzogen worden waren. Die Forscher erzeugten zudem sogenannte T-Zustände mit einer Rekord-logischen Genauigkeit von 99,99 % und demonstrierten damit eine außergewöhnlich hohe Präzision bei einer kritischen Komponente der Quantenberechnung.

Magische Zustände sind spezielle Quantenressourcen, die zur Ausführung bestimmter Operationen benötigt werden, welche für das universelle Quantencomputing unerlässlich sind. Ihre zuverlässige Erzeugung stellte bislang eine große technische Herausforderung dar; einigen Schätzungen zufolge könnten bis zu 95 % der Kapazität eines Quantencomputers für ihre Erzeugung aufgewendet werden.

Die Technik von Google überwindet diesen Engpass, indem sie einen verrauschten Quantenzustand in einen kleinen Bereich eines Prozessors einführt und mithilfe koordinierter Messungen Fehler erkennt und fehlerhafte Versuche eliminiert. Die Forscher demonstrierten zudem eine Methode zur Übertragung gereinigter Quantenzustände zwischen verschiedenen Fehlerkorrekturarchitekturen – eine wichtige Fähigkeit für die Skalierung von Quantensystemen.

Obwohl Google einräumte, dass weiterhin erhebliche technische Herausforderungen bestehen, bezeichnete das Unternehmen die Ergebnisse als entscheidenden Schritt hin zum Bau nützlicher, fehlertoleranter Quantencomputer, die in der Lage sind, Probleme zu lösen, die für herkömmliche Maschinen unlösbar sind.

Die Bedrohung der Quantensicherheit von Bitcoin

Dieser Durchbruch verstärkt die wachsenden Bedenken hinsichtlich der letztendlichen Anfälligkeit der kryptografischen Sicherheit von Bitcoin gegenüber Quantencomputern – ein erwarteter Meilenstein, der als „Q-Day“ bekannt ist.

Im März veröffentlichten Google-Forscher eine separate Analyse, die darauf hindeutet, dass zum Knacken der elliptischen Kurvenkryptografie, die den digitalen Signaturen von Bitcoin zugrunde liegt, weniger als 500.000 physikalische Qubits erforderlich sein könnten – etwa 20-mal weniger als in einigen früheren Schätzungen angenommen.

Diese Untersuchung skizzierte zudem ein theoretisches Szenario, in dem ausreichend fortschrittliche Quantencomputer einen privaten Bitcoin-Schlüssel aus einem offengelegten öffentlichen Schlüssel in etwa neun Minuten ableiten könnten, was Angreifern potenziell ermöglichen würde, Transaktionen vor ihrer Bestätigung abzufangen. Die Forscher schätzten, dass etwa 6,9 Millionen BTC durch öffentlich bekannt gewordene Schlüssel gefährdet sein könnten, darunter auch ältere Wallet-Formate und Adressen, die wiederverwendet wurden.

Derzeit existiert jedoch kein Quantencomputer, der in der Lage ist, solche Angriffe durchzuführen. Googles neueste „Magic-State“-Forschung belegt zwar nicht die Fähigkeit, die Kryptografie von Bitcoin zu knacken, befasst sich jedoch mit einem der technischen Hindernisse bei der Entwicklung von Maschinen, die dies möglicherweise irgendwann tun könnten.

Im September warnte Fidelity Digital Assets, dass ausreichend leistungsstarke Quantencomputer letztendlich private Schlüssel aus offengelegten öffentlichen Bitcoin-Schlüsseln ableiten könnten. Das Unternehmen untersuchte quantenresistente Signatursysteme, darunter einen vorgeschlagenen Ansatz namens SHRINCS, und hob dabei die Komplikationen hervor, die durch größere Signaturen entstehen könnten, welche den Transaktionsdurchsatz von Bitcoin verringern und die Gebühren erhöhen würden.

Die bevorstehende Herausforderung

Erst diese Woche veröffentlichte die Kryptobörse Coinbase eine detaillierte Einschätzung, in der die Herausforderungen bei der Umstellung von Bitcoin auf quantenresistente Kryptografie dargelegt wurden. Die Börse, die nach eigenen Angaben etwa 15 % des Bitcoin-Bestands verwahrt, betonte, dass der Ersatz bestehender Signaturalgorithmen nur ein Teil der Lösung sei. Entwickler müssen zudem institutionelle Verwahrungssysteme, die begrenzte Blockchain-Kapazität, die Kompatibilität mit bestehenden Wallets sowie Gelder berücksichtigen, die in ruhenden Adressen gehalten werden. Coinbase verwies auf Vorschläge wie BIP-360 als mögliche Grundlagen für die Einführung anpassungsfähigerer kryptografischer Schutzmaßnahmen.

Eine besonders schwierige Frage betrifft Bitcoin, das in Wallets gehalten wird, deren Besitzer ihre privaten Schlüssel verloren haben oder aus anderen Gründen nicht in der Lage sind, ihre Guthaben auf neue Sicherheitsstandards umzustellen. Solche Bestände könnten auch nach der Einführung quantenresistenter Schutzmaßnahmen durch das Netzwerk weiterhin gefährdet sein.

Google hat separat das Jahr 2029 als Ziel für die Umstellung seiner eigenen Systeme auf Post-Quanten-Kryptografie festgelegt und unterstreicht damit die branchenweiten Vorbereitungen.

Für Bitcoin besteht die Herausforderung nicht in einem unmittelbaren Sicherheitsversagen, sondern in dem potenziell langwierigen Prozess der Koordinierung von Upgrades in einem dezentralen Netzwerk – bevor Quantencomputer leistungsfähig genug werden, um die bestehenden Schutzmaßnahmen zu gefährden.