Idee und Inhalt meines Buches

"Jede entsprechend weit fortgeschrittene Technologie ist von Magie nicht zu unterscheiden" (Zitat von Arthur C. Clarke)


Diese Idee hat mich nicht mehr losgelassen bis ich schließlich damit begonnen habe ein Buch darüber zu schreiben. Es geht um virtuelle Welten, die so perfekt simuliert sind, dass sie von der realen Welt nicht mehr zu unterscheiden sind. Da in der virtuellen Welt alles möglich ist, gibt es in meinem Buch sowohl Zukunftstechnologie, wie sie in Science Fiction Romanen zu finden ist, als auch typische Fantasy Elemente wie Magie, Fabelwesen und Fantasiewelten.

In meinem Blog werde ich nicht nur über den Fortschritt meines Buches berichten, sondern auch allgemein zu SciFi und Fantasy Themen.

Gerne lasse ich mich hierbei von euch inspirieren.

Wer mag, kann mich gerne direkt kontaktieren: roy.ofinnigan@t-online.de

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Sonntag, 4. Mai 2014

Die NSA, Quantencomputer & Warum es keine Zeitmaschinen gibt

© Bill2499 | Dreamstime.com

Soso, die NSA will also einen Quantencomputer bauen, um alle Verschlüsselungen knacken zu können. Das Projekt heißt "Penetrating Hard Targets" und die NSA hat dafür ein Budget von $80 Millionen bereitgestellt. Das berichtet die Washington Post unter Berufung auf Dokumente des NSA-Whistleblowers Edward Snowden
Denen ist also nichts heilig. Ich finde es schockierend, wie ungeniert die uns abhören. Aber lassen wir das mal beiseite.

In diesem Post geht es um Quantencomputer. Das ist ein relativ neuer Ableger der Computertechnologie und basiert auf einem Vorschlag des US-Amerikanischen Physikers Richard Feynman aus dem Jahr 1981. 

Im Prinzip funktioniert ein Quantencomputer wie ein normaler Computer. Man gibt etwas ein (Input), er berechnet etwas (Programmierung) und man erhält ein Ergebnis (Output). Wie ihr alle wisst, rechnen normale Computer mit Bits. Da sie ziemlich dumm sind, können sie nur bis zwei zählen. Nein, ganz so ist es nicht. Computer basieren auf Transistoren. Das sind elektronische Schalter, die entweder »An« oder »Aus« sein können. Diese beiden Zustände repräsentieren die Bits »0« und »1«. Mit dem binären Zahlensystem kann man alles berechnen, was im Prinzip berechenbar ist. 

Es ist also gar nicht notwendig weiter als bis 2 zählen zu können und macht den Bau von Computern nur unnötig kompliziert.

Wenn man die Transistoren immer kleiner macht, kommt man schließlich in den Bereich der Atome. Dort gelten nicht mehr die Regeln der klassischen Physik, sondern der Quantenmechanik. 

Das faszinierende an der Quantenmechanik ist, dass es Effekte gibt, die dem gesunden Menschenverstand komplett widersprechen. Zum Beispiel kann ein Photon oder ein Elektron gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten sein. Oder es kann zwei verschieden Zustände gleichzeitig haben. Sie glauben das nicht? Ich muss sie enttäuschen. Die Tatsache, dass es so ist, wurde in unzähligen Experimenten bewiesen. Selbst Einstein hat sich die Zähne daran ausgebissen. Als einer der größten Kritiker der Quantentheorie, hat er sich allerhand einfallen lassen diese Theorie durch Aufzeigen solcher Widersprüche zu Fall zu bringen. 

Letztendlich hat er aber deren Protagonisten »nur« geholfen, sie wasserdicht zu machen.
Also zurück zum Quantencomputer. Wie sie sich jetzt vielleicht schon denken können, benutzt man hierfür zum Rechnen solche Teilchen, die 2 Zustände gleichzeitig annehmen können. Zum Beispiel die Polarisation von Photonen, die entweder senkrecht oder waagrecht sein kann oder den Spin von Elektronen, der entweder »up« oder »down« sein kann. Diese Zustände werden dann nicht mehr Bit, sondern Qubit genannt.
Übrigens, die Polarisation von Photonen kennen wir alle von den 3D Brillen im Kino und der Elektronenspin spielt eine Rolle beim Kernspintomographen. Beides sind also Effekte, die wohlverstanden und mittlerweile in unser Alltagsleben Einzug gehalten haben. Also nichts Exotisches unter dem man sich nichts vorstellen kann.
Und was macht man jetzt mit solchen Qubits? Nun, wie bei normalen Computern, kann man mit nur einem Bit bzw. Qubit nicht viel anfangen. Man braucht mehrere davon, um rechnen zu können. Am besten 16 oder noch besser 32. In einem normalen Computer kann man mit 32 Bits alle Zahlen von 0 bis 4.294.967.294 (~4,9 Milliarden) darstellen. Aber jeweils nur eine. 

© Roy O’Finnigan


Ein Quantencomputer, der aus 32 Qubits besteht kann 232 verschiedene Zustände annehmen. Alle diese Zustände liegen gleichzeitig in einer sogenannten Superposition vor. Also einer Überlagerung aller Kombinationen von „0“ und „1“. Aber nur einer davon ist die gesuchte Lösung. Die Frage ist, wie kommt man an das richtige Ergebnis ran?
Um einen Quantencomputer zu betreiben reicht es also nicht, einfach irgendeinen Algorithmus auszuführen. Man muss das gesuchte Ergebnis auch auslesen können. Das Problem ist, dass man dazu den Zustand der einzelnen Qubits messen muss. Nach den Regeln der Quantenphysik verwirklicht die Messung aber nur einen der 232 Zustände. Und der ist zwangsläufig zufällig. Somit sind wir nicht besser dran als hätten wir mit einem klassischen Computer einen zufällig ausgewählten Schlüssel ausprobiert.

Doch die Quantenphysik wäre nicht so geheimnisvoll, wenn es nicht noch ein paar Tricks gäbe die Situation zu verbessern. Quantenzustände von Teilchen werden als Wellen mit einer Amplitude beschrieben. Ein guter Quantencomputer Algorithmus würde sicherstellen, dass Rechenwege, die zu einer falschen Lösung führen, sich auf diese Weise auslöschen. Er würde auch garantieren, dass alle Wege, die zu einer korrekten Lösung führen, sich durch konstruktive Interferenz verstärken. Damit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass sie am Ende beim Messen der Zustände gefunden werden.
Was hat das jetzt mit der NSA zu tun? Gleich. Einen Moment noch.

1994 fand der amerikanische Mathematiker und Informatiker Peter Shor erstmals einen Quantenalgorithmus, der das Lösen eines praktischen Problems drastisch zu beschleunigen vermag. Insbesondere zeigte Shor, wie ein Quantencomputer eine n-stellige Zahl so faktorisieren kann, dass die Anzahl der Rechenschritte nur mit rund n2 zunimmt.
Der beste bekannte Algorithmus für klassische Computer braucht dafür eine exponentiell wachsende Anzahl von Schritten. Praktisch alle derzeit verwendeten Verschlüsselungsverfahren basieren auf Zahlen, die so groß sind, dass es für klassische Computer viel zu lange dauert, um sie faktorisieren zu können. Doch um die Verschlüsselung zu knacken, muss man diese Zahlen in ihre Faktoren zerlegen. Genauer gesagt, man muss die zwei Primzahlen finden, aus denen sie zusammengesetzt ist.

Wenn ein Quantencomputer das in einem Rechenschritt tun, und man das Ergebnis auch schnell genug auslesen kann, dann ist es möglich man alle Verschlüsselten Nachrichten in Echtzeit knacken. Und genau deshalb scheint die NSA so an Quantencomputern interessiert zu sein.

Soweit zur Theorie. In Praxis spielt Verschlüsselung für Privatmenschen keine Rolle, weil sie kaum jemand benutzt. Ich gebe zu, ich selbst auch nicht. Ich habe es versucht aber es ist einfach zu Aufwendig und unpraktisch.

Sind Zeitmaschinen prinzipiell unmöglich?
Übrigens, in diesem Zusammenhang noch eine Anmerkung zu Quantencomputern. So manch einer erhofft sich vielleicht, dass sie einmal alle klassischen Computer ersetzen werden, da sie alle berechenbaren Probleme in einem einzigen Schritt berechnen können.

Dem ist leider nicht so. Quantencomputer unterliegen wie klassische Computer den Grenzen der Physik bzw. Mathematik. Wäre dem nicht so, könnten sie eine bestimmte Klasse von Problemen lösen, die die Mathematiker „NP Vollständig“ bezeichnen.

Ein Beispiel für ein „NP Vollständig“ Problem ist das packen von Kisten in einen Kofferraum. Wie packt man eine bestimmte Anzahl von Kisten unterschiedlicher Form und Größe optimal in einen Kofferraum so, dass am wenigsten Platz verschwendet wird?
Die Praxisrelevanz dieses Problems dürfte allen klar sein, die schon mal mit 3 Kindern mit dem Auto in Campingurlaub gefahren sind :-)


 
© Hochschule Mittweida

Die Schwierigkeit bei diesen Problemen ist, dass die Rechenzeit exponentiell mit der Anzahl der Kisten wächst. Da die verfügbare Rechenleistung sich alle 2 Jahre „nur“ verdoppelt, werden wir solche Probleme nie effizient mit einem Computer lösen können. Auch nicht mit einem Quantencomputer.

Oder vielleicht doch? Es gibt da zum Beispiel Überlegungen einen Computer die Aufgabe berechnen zu lassen und dann das Ergebnis per Zeitmaschine in die Vergangenheit zu schicken. Das wäre doch genial, oder?

Doch so einfach ist es nicht. Möglicherweise ist es genau umgekehrt und es wird prinzipiell niemals einen realen Computer geben, der solche Probleme effizient berechnen kann. Das würde dann bedeuten, dass der Bau von Zeitmaschinen grundsätzlich unmöglich ist.

Es geht um eines der sogenannten Millennium Probleme. Das Clay Institut für Mathematik hat demjenigen $1M Belohnung versprochen, der beweisen oder widerlegen kann, dass P≠NP ist.
(„P“ Probleme sind mit Computern relativ einfach zu lösen. Z. B.: Der Test ob eine Zahl eine Primzahl ist gehört dazu.)
Im Moment deuten alle Anzeichen darauf hin, dass die oben genannte Ungleichung gilt. Wenn das stimmt, ist es prinzipiell unmöglich eine Zeitmaschine zu bauen!

Das sind schlechte Nachrichten für Science Fiction Fans und Autoren. Nun gut, als Autor muss ich mich nicht unbedingt an solche lästigen Tatsachen halten. Noch ist ja nichts bewiesen. Trotzdem.

Wir brauchen neue Verschlüsselungsverfahren
Ach ja, noch etwas. Die Beschränktheit von Quantencomputern hat auch seine positiven Seiten. Sie bedeutet, dass in einer Welt mit Quantencomputern nur bestimmte kryptografische Kodes geknackt werden können. Nämlich alle, die auf Primfaktorenzerlegung basieren. Andere bleiben (wahrscheinlich) sicher. Deshalb sollten wir möglichst schnell auf solche Verschlüsselungsverfahren umstellen.

Letztendlich heißt das, dass das Geld, das die NSA in die Entwicklung von Quantencomputern steckt, hauptsächlich der Wissenschaft dient aber nicht, dass man vor der NSA nichts mehr verbergen kann. Und das ist auch gut so!



Quellen:
Scott Aaronson »Die Grenzen der Quantencomputer«, SDW 4/10,

 





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© Agsandrew | Dreamstime.com