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James Bamford - Gehirn: Alle Macht den Quanten

Die NSA ist schon sei 1994 stark an der Quanteninformatik interessiert; damals entdeckte Peter Shor, ein Mathematiker der Bell Laboratories, die schon lange eine enge, geheime Beziehung zur NSA unterhalten, die Vorteile dieser neuen Wissenschaft für das Dechiffrieren. Seitdem gibt die NSA etwa vier Millionen Dollar pro Jahr für Forschungsprojekte an verschiedenen Universitäten aus und stellt zusätzliche Mittel für Untersuchungen in staatlichen Labors bereit.

Ein auf Höchstgeschwindigkeit arbeitender Quantenrechner könnte eingesetzt werden, um Paare aus riesigen Primzahlen zu entdecken, die als Schlüssel"wörter" für viele Chiffriersysteme dienen. Die größte Zahl, welche die bisherigen Großrechner in Faktoren zerlegen konnten, hat etwa 140 Stellen. Doch nach Aussagen eines anderen Wissenschaftlers bei Bell Laboraties, Lov K. Grover, könnten mittels Quantencomputer 140-stellige Zahlen eine Milliarde (109) Mal schneller in Faktoren zerlegt werden, als derzeit möglich ist. "Auf dem Papier zumindest", sagte Glover, "sind die Aussichten überwältigend: ...eine Suchmaschine, die jeden Winkel des Internets in einer halben Stunde durchsuchen könnte; ein ›brutaler‹ Decoder, der eine DES-[Data Encryption Standard - das von den meisten Banken und Unternehmen verwendete Chiffrierverfahren]-Nachricht in fünf Minuten entschlüsselt."

Ein Quantenrechner könnte auch verwendet werden, um unvorstellbare Zahlen von aufgefangenen Nachrichten zu verarbeiten - durchzublättern, wie es bei der NSA heißt - um ein Schlüsselwort, einen Satz oder mit etwas Glück auch einen "Haken" zu finden. Die "Haken" waren lange das Geheimnis hinter vielen Erfolgen der Codeknacker bei der NSA; es sind Abnormitäten - manchmal kaum wahrnehmbare - im kryptographischen System des Ziels, zum Beispiel ein Fehler in einem russischen Verschlüsselungsprogramm, ein Hardwaremangel oder nachlässige Übermittlung. Ist solch ein winziger Riss einmal entdeckt, können die Codeknacker der NSA mit enormem Computereinsatz einen "brutalen Angriff" starten und eventuell das System so weit auseinander nehmen, dass sie eine Goldader der geheimen Kommunikation offen legen.

Ein Durchbruch in der Quanteninformatik wurde im April 1998 erreicht, als Forscher des MIT, von IBM, der University of California in Berkeley und der Universität of Oxford in England ankündigten, es sei ihnen gelungen, den ersten funktionierenden Quantenrechner zu bauen. Der Prozessor war ein magisches Gebräu aus Wasserstoff- und Chloratomen in Chloroform. Digitalschalter waren auf die kleinste bekannte Informationseinheit, das Quantenbit oder Qubit, reduziert. Während ein traditionelles Computer-Bit entweder 1 oder 0 sein musste, konnte ein Qubit beides gleichzeitig sein. Statt nur schwarz oder weiß zu sein, konnte ein Qubit alle Regenbogenfarben annehmen.

Nach John Markoff, der das Thema lange für die New York Times verfolgt hat, war im Juli 1999 ein weiterer Meilenstein erreicht. Die Forscher bei Hewlett-Packard und der University of California in Los Angeles gaben bekannt, dass sie rudimentäre elektronische Logikgatter entwickelt hätten - eines der grundlegenden Elemente des Computers -, die nur so dick waren wie ein Molekül. Vier Monate später berichteten die Wissenschaftler bei Hewlett-Packard, sie hätten eine weitere Schwelle überschritten und Reihen ultramikroskopischer Leiterdrähte mit einem Durchmesser von weniger als einem Dutzend Atomen geschaffen.

Für die Praxis bedeutet das, dass ein Quantenrechner viele Operationen gleichzeitig ausführen und somit die Rechengeschwindigkeit um ein Vielfaches steigern kann. Ein Großrechner versucht die Entschlüsselung eines komplexen Chiffriersystems, indem er eine Billiarde Schlüssel nacheinander durchprobiert; ein Quantenrechner hingegen kann jede Sekunde eine Billiarde Schlüssel gleichzeitig probieren. Physiker vermuten, dass diese Geräte eines Tages mehrere tausend oder gar Millionen Mal schneller sein werden als die leistungsfähigsten heute existierenden Großrechner.

Die Entdeckung wurde von den Codeknackern in Crypto City freudig begrüßt. "Lange sah es so aus, als ob es für dieses Problem keine Lösung gäbe", sagte Keith Miller von der NSA. In Los Alamos, wo die NSA insgeheim die Erforschung dieser neuen Wissenschaft finanziert, fügte der Leiter des Quanten-Teams, Richard J. Hughes, hinzu: "Dies ist ein wichtiger Schritt. Das Interessante daran ist, dass nun der einfachste mögliche Algorithmus auf einem Quantenrechner bewiesen werden konnte". [...]

So spannend die Quanteninformatik auch ist, die interessanteste Idee zum Erreichen von Exaflop-Geschwindigkeit und mehr entstand bei einer Reihe von Entwicklungs-Konferenzen, an denen die NSA Mitte der Neunzigerjahre teilnahm. Der Computer der Zukunft - schon mit einem Kreislauf aus kühlem, schäumendem Fluorinert, einem künstlichen Blutplasma - wird möglicherweise zum Teil aus mechanischen und teilweise aus organischen Komponenten entstehen.

"Ich glaube nicht, dass wir eine Maschine konstruieren können, die einen Raum nach dem anderen füllt und entsprechende Mengen Dollars verschlingt", sagte Seymour Cray, der an diesen Konferenzen teilnahm. "Wir müssen etwas bauen, was ungefähr so groß ist wie die heutigen Geräte, aber etwa tausendmal so viele Bestandteile enthält." Eine Lösung für die Reduzierung auf Nanometer-Größe war laut Cray die Herstellung von Rechnerkomponenten aus biologischen Elementen. Gleichzeitig konnten andere biologische Prozesse eingesetzt werden, um nichtbiologische Geräte zu bauen - Bakterien könnten zum Beispiel biotechnisch für den Bau von Transistoren verändert werden.

2001 versuchten die Forscher beim MIT, die digitale Welt mit der biologischen zu verschmelzen, indem sie gewöhnliche E.-coli-Bakterien so veränderten, dass sie einen elektrischen Schaltkreis bildeten. Aus dieser Verbindung würde ein Computerteil entstehen, das die Möglichkeit hätte, sich ständig zu reproduzieren. Mit diesem Verfahren könnten riesige Zahlen fast identischer Prozessoren "gezüchtet" werden. "Wir würden gern schubkarrenweise Prozessoren herstellen", sagte der MIT-Informatiker Harold Abelson.

Er und seine Kollegen hoffen, eines Tages Schaltkreise auf biologischem Material abzubilden, ein Verfahren, das sie amorphes Rechnen nennen, und so lebende Zellen in digitale Schaltkreise zu verwandeln. Allerdings könnten die Zellen nur arbeiten, solange sie leben, und daher müssten Millionen oder Milliarden winziger Bio-Komponenten auf kleinstmöglichem Raum untergebracht werden.

Bell Laboratories, ein Teil von Lucent Technologies, denkt ebenfalls über einen "lebenden" Computer nach, dessen "Motoren" in Molekülgröße aus DNA bestehen sollen; sie werden so klein sein, dass 30 Billionen in einen Wassertropfen passen. Nach Angaben des Bell-Labs-Physikers Bernard Yurke könnte es schließlich gelingen, elektronische Komponenten an DNA zu binden. Dann könnte durch die Verbindung der DNA-Stränge ein Computer mit unglaublicher Geschwindigkeit und enormer Speicherkapazität entstehen. Möglicherweise erreicht die NSA eines Tages das Optimum an Geschwindigkeit, Kompatibilität und Effizienz - einen Computer mit Pentaflop- oder höherer Geschwindigkeit, der in ein Gefäß von etwa einem Liter Inhalt passt und nur zehn Watt Energie verbraucht: das menschliche Gehirn.

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