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Eine neue Ära im Quantencomputing: Zertifizierte Zufälligkeit erzielt
Eine Kooperation führender Wissenschaftler von JPMorgan Chase, Quantinuum, dem Argonne National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory sowie der University of Texas at Austin hat einen Meilenstein im Bereich Quantencomputing erreicht. In einer bahnbrechenden Studie, veröffentlicht im renommierten Fachmagazin Nature, gelang es den Forschern, mithilfe eines hochmodernen 56-Qubit-Quantencomputers tatsächlich zufällige und zertifizierte Zahlen zu erzeugen – ein entscheidender Schritt für Kryptografie, digitale Privatsphäre und den Schutz sensibler Daten weltweit.
Was steckt hinter zertifizierter Zufälligkeit?
Zufall ist in vielen Bereichen der Technik unverzichtbar: Er wahrt Vertraulichkeit, sichert Kommunikation und sorgt für faire Algorithmen in Künstlicher Intelligenz und Finanzsystemen. Klassische Rechner tun sich jedoch schwer damit, völlig unpredictable Zufallszahlen zu erzeugen – meist stützen sie sich auf Hardware-Zufallsgeneratoren, die manipulierbar sein können und keine langanhaltende mathematische Garantie bieten. Das nun nachgewiesene Konzept der „zertifizierten Zufälligkeit“ zeigt nicht nur, dass erzeugte Zahlen unvorhersehbar sind, sondern beweist mathematisch ebenso ihre Originalität und Unbestechlichkeit.
Diese Entwicklung könnte die sichere Kommunikation und moderne Kryptosysteme nachhaltig verändern, indem sie ein neues Vertrauensniveau bei der Erzeugung und Übertragung von Daten schafft.
Die Wissenschaft hinter dem Durchbruch
Die Forschungsleistung basiert auf einem Protokoll, das ursprünglich von Scott Aaronson, einem angesehenen Informatik-Professor an der University of Texas in Austin, konzipiert wurde. Dank der Mitwirkung des Postdoktoranden Shih-Han Hung überführte das Team Aaronsons Theorie in ein funktionierendes Experiment.
Um zertifizierte Zufälligkeit zu erzeugen, nutzten die Wissenschaftler Quantinuums fortschrittlichen Quantencomputer System Model H2-1 aus der Ferne und wandten das anspruchsvolle Verfahren des Random Circuit Samplings (RCS) an. Diese Aufgabe ist rechnerisch so komplex, dass sie von klassischen Supercomputern praktisch nicht nachgebildet werden kann. Folgendes Verfahren wurde verwendet:
Schritt 1: Die Quantenherausforderung
Die Forscher generierten mithilfe eines kleinen Zufallssamens eine Reihe von Schaltkreisen und übermittelten diese an den 56-Qubit-Quantencomputer. Dieser sollte bei jeder Aufgabe ein Ergebnis auswählen – und das rein zufällig aus einer Vielzahl möglicher Resultate.
Schritt 2: Klassische Überprüfung
Mit einer gewaltigen Rechenkapazität von insgesamt 1,1 ExaFLOPS (1,1 × 10¹⁸ Fließkommaoperationen pro Sekunde), verteilt auf mehrere Supercomputer, prüften die Forscher die zertifizierte Zufälligkeit sorgfältig. Sie konnten bestätigen, dass die erzeugten 71.313 Zufallsbits bei realistischer Betrachtung nicht von klassischen Computern simuliert werden können.
Spezifikationen und Systemvergleich
Das H2-System von Quantinuum wurde im Juni 2024 auf 56 Qubits ausgebaut, wobei jede Einheit direkt mit einer anderen verbunden werden kann. Damit erhöhte sich Präzision und Effizienz beträchtlich gegenüber älteren Systemen, insbesondere bei anspruchsvollen Aufgaben wie dem Random Circuit Sampling. Dank dieses Upgrades wurde Aaronsons Protokoll nicht nur umsetzbar, sondern auch hoch effizient – ein bedeutsamer Fortschritt gegenüber früheren Quantencomputern.
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
- Höchste Sicherheit: Zertifizierte Zufälligkeit erhöht den Schutz für Kryptografie und minimiert Risiken durch pseudo-zufällige Generatoren.
- Überprüfbare Privatsphäre: Verbesserte Transparenz und Fairness bei digitalen Prozessen und KI-Systemen, da zertifizierte Entropie unabhängig nachgeprüft werden kann.
- Extrem hohe Manipulationsresistenz: Im Gegensatz zu klassischen Methoden können selbst gezielte Interferenzen das Zufallsergebnis des Quantencomputers nicht erfolgreich nachahmen oder beeinflussen.
Wie Marco Pistoia, Leiter der Global Technology Applied Research bei JPMorgan Chase, formuliert: „Dieser Durchbruch zeigt, dass Quantencomputer reale Probleme lösen – jenseits dessen, was heutige Supercomputer leisten können.“
Bedeutung für den Markt des Quantencomputings
Nachdem nun konkrete Vorteile unter realen Bedingungen bewiesen wurden, markiert dieser Fortschritt einen entscheidenden Schritt in Richtung der Kommerzialisierung der Quantencomputing-Technologie. Dr. Rajeeb Hazra, Präsident und CEO von Quantinuum, betont: „Wir feiern ein entscheidendes Ereignis, das Quantencomputing zu einer praktisch nutzbaren Technologie macht.“
Erwähnenswert ist zudem die Unterstützung durch die Rechenzentren des US-Energieministeriums (Oak Ridge, Argonne, Lawrence Berkeley National Laboratories), wodurch nationale Einrichtungen entscheidend dazu beitragen, die Innovationsführerschaft der USA im Quantenbereich zu sichern.
Weichenstellung für kommende Anwendungen
Die theoretische Überlegenheit von Quantensystemen ist seit Langem akzeptiert – dieses Experiment jedoch belegt, dass Quantencomputer klassische Systeme beim Erzeugen zertifizierter Zufallszahlen nun klar übertrumpfen. Damit bekommen Kryptografie und Datensicherheit praktisch greifbaren Wert. Das Ergebnis untermauert das wachsende Bewusstsein in der Tech-Community: Wir stehen am Beginn einer neuen Epoche, in der Quantencomputer Lösungen für Probleme bereithalten, die mit klassischer Technologie unlösbar bleiben.
Quelle: neowin
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