Was ist ein Quantencomputer? Wie er funktioniert, was er kann und was nicht

Wie funktioniert ein Quantencomputer, wofür taugt er heute schon, und warum sollten sich Unternehmen trotzdem jetzt um ihre Verschlüsselung kümmern?

Angenommen, Sie sollen den kürzesten Weg durch ein Labyrinth finden. Ein gewöhnlicher Computer probiert Gang für Gang aus, nur eben sehr schnell. Ein Quantencomputer geht anders vor: Er hält viele mögliche Wege gleichzeitig in der Schwebe und lässt sie so gegeneinander antreten, dass sich die falschen gegenseitig auslöschen und der richtige übrig bleibt. Das ist stark vereinfacht, trifft aber den Kern.

Quantencomputer gehören zu den Technologien, über die viel gesprochen und wenig verstanden wird. Die einen erwarten Wunderrechner, die alle Probleme auf einen Schlag lösen, die anderen halten das Ganze für teure Laborphysik ohne Nutzen. Beides ist falsch. Was ein Quantencomputer ist, wie er rechnet, was er kann und was nicht, und was er schon heute für die IT-Sicherheit in Unternehmen bedeutet, erklärt dieser Überblick.

Was ein Quantencomputer ist – die Kurzantwort

Ein Quantencomputer ist ein Rechner, der Informationen nicht in Bits, sondern in Quantenbits verarbeitet, kurz Qubits. Er nutzt dabei Effekte der Quantenphysik, also der Physik der kleinsten Teilchen. Vier Begriffe genügen, um das Prinzip zu verstehen:

• Qubit: Ein klassisches Bit ist entweder 0 oder 1, wie ein Lichtschalter. Ein Qubit kann sich in einer Mischung aus beiden Zuständen befinden. Erst wenn man es misst, legt es sich auf 0 oder 1 fest – mit einer Wahrscheinlichkeit, die von dieser Mischung abhängt.
• Überlagerung (Superposition): So heißt dieser Schwebezustand. Mehrere Qubits zusammen können eine Überlagerung sehr vieler Zustände bilden. Mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt sich die Zahl der Zustände, die gleichzeitig beschrieben werden.
• Verschränkung: Qubits lassen sich so koppeln, dass ihre Messergebnisse zusammenhängen, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Ein verschränktes Paar verhält sich wie eine Einheit. Nachrichten lassen sich damit allerdings nicht schneller als das Licht übertragen.
• Interferenz: Der eigentliche Trick. Ein Quantenalgorithmus ist so gebaut, dass sich die Wahrscheinlichkeiten falscher Ergebnisse gegenseitig abschwächen und die der richtigen verstärken, ähnlich wie sich Wellen im Wasser auslöschen oder aufschaukeln.

Wichtig ist, was daraus nicht folgt: Ein Quantencomputer probiert nicht einfach alle Lösungen parallel aus und liefert dann die beste. Am Ende jeder Rechnung steht eine Messung, und die liefert nur ein einziges Ergebnis. Ein Vorteil entsteht nur dort, wo ein cleverer Algorithmus die Interferenz so lenkt, dass dieses Ergebnis mit hoher Wahrscheinlichkeit das richtige ist. Deshalb ist ein Quantencomputer auch keine schnellere Version heutiger Rechner, sondern ein Spezialwerkzeug für bestimmte Aufgaben.

Wie ein Quantencomputer rechnet

Ein klassischer Prozessor arbeitet mit Logikgattern, die Bits verknüpfen, etwa „und“ oder „oder“. Ein Quantencomputer hat ebenfalls Gatter, nur dass sie die Zustände der Qubits drehen, überlagern oder verschränken. Eine Folge solcher Gatter nennt man Quantenschaltkreis. Programmiert wird er heute fast immer über Software-Bibliotheken wie Qiskit von IBM oder Cirq von Google, die von einem gewöhnlichen Rechner aus Aufträge an die Quantenhardware schicken.

Der Ablauf ist dabei fast immer hybrid: Ein klassischer Computer bereitet die Aufgabe vor, der Quantenprozessor rechnet den Teil, bei dem er stark ist, und das Ergebnis wird wieder klassisch ausgewertet. Weil jede einzelne Messung zufällig ausfällt, wird ein Schaltkreis oft tausendfach wiederholt, bis sich eine Häufung zeigt. Die meisten Nutzer greifen über die Cloud darauf zu – IBM, Amazon (Braket) und Microsoft (Azure Quantum) bieten solche Zugänge an, Google bislang nur einem ausgewählten Kreis von Forschungsgruppen. Einen Quantencomputer im eigenen Serverraum braucht praktisch kein Unternehmen.

Die Idee selbst ist älter, als viele denken. 1980 beschrieb Paul Benioff ein quantenmechanisches Modell eines Computers. Richard Feynman argumentierte Anfang der 1980er-Jahre, dass sich Quantensysteme auf klassischen Rechnern nicht effizient simulieren lassen, und schlug vor, dafür Rechner zu bauen, die selbst nach Quantenregeln arbeiten. David Deutsch beschrieb 1985 den universellen Quantencomputer. 1994 folgte der Algorithmus von Peter Shor, der große Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegen kann, 1996 der Suchalgorithmus von Lov Grover. Seitdem ist klar, dass Quantencomputer nicht nur Physikern nützen, sondern auch die Kryptografie betreffen.

Was Quantencomputer können – und was nicht

Die ehrliche Antwort lautet: Für die allermeisten Aufgaben im Büro, in der Buchhaltung oder im Webshop wird ein Quantencomputer nie schneller sein als ein normaler Rechner. Textverarbeitung, Datenbanken, Videostreaming oder das Training großer Sprachmodelle laufen auf klassischer Hardware und werden das auch weiter tun. Vorteile erwartet die Forschung vor allem in vier Feldern:

• Simulation von Molekülen und Materialien: Das ist Feynmans ursprüngliche Idee und gilt als der aussichtsreichste Anwendungsfall. Chemische Bindungen, Katalysatoren für Dünger, neue Batteriematerialien oder Wirkstoffe folgen den Regeln der Quantenphysik. Ein Quantencomputer kann sie im Prinzip direkt nachbilden, wo ein Supercomputer auf grobe Näherungen angewiesen ist.
• Kryptografie: Der Shor-Algorithmus würde heute verbreitete Public-Key-Verfahren wie RSA oder die Kryptografie mit elliptischen Kurven brechen, sobald es ausreichend große, fehlerkorrigierte Maschinen gibt. Dazu weiter unten mehr.
• Optimierung: Routenplanung, Fahrpläne, Portfolios oder Produktionsabläufe sind häufig genannte Beispiele. Hier ist die Lage unklarer. Ob Quantenverfahren klassische Optimierungsprogramme in der Praxis schlagen, ist bislang nicht belegt; gute klassische Heuristiken sind ein harter Gegner.
• Maschinelles Lernen: Unter dem Stichwort „Quantum Machine Learning“ wird erforscht, ob Quantenrechner bestimmte Lernverfahren beschleunigen. Ein durchschlagender Vorteil für die Praxis ist bisher nicht nachgewiesen. Dass Quantencomputer den Weg zu einer „allgemeinen künstlichen Intelligenz“ ebnen, wie mancher Beitrag vor einigen Jahren versprach, ist Spekulation.

Überschätzt wird vor allem das Bild vom Alleskönner. Wer liest, ein Quantencomputer werde „Big Data“ oder 5G-Netze beschleunigen, sollte skeptisch sein: Das Einlesen großer Datenmengen in einen Quantenzustand ist selbst ein Engpass. Unterschätzt wird dagegen das Thema Sicherheit, denn hier entsteht schon heute Handlungsbedarf, obwohl der passende Rechner noch gar nicht existiert.

Welche Bauarten es gibt

Anders als bei klassischen Chips hat sich noch keine Technik durchgesetzt. Mehrere Ansätze konkurrieren, jeder mit eigenen Stärken:

Supraleitende Qubits

Winzige Stromkreise, die auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. IBM, Google, Rigetti und das finnische Unternehmen IQM setzen darauf. Die Rechenschritte sind sehr schnell, die Qubits aber empfindlich, und die Kühlung in großen Kryostaten ist aufwendig.

Ionenfallen

Einzelne elektrisch geladene Atome werden in elektromagnetischen Feldern festgehalten und mit Lasern gesteuert. Quantinuum und IonQ sind bekannte Anbieter, in Europa unter anderem AQT aus Innsbruck. Ionen-Qubits gelten als besonders präzise, rechnen aber langsamer.

Neutrale Atome

Ungeladene Atome werden mit Laserstrahlen, sogenannten optischen Pinzetten, in Gittern angeordnet. Dieser Ansatz lässt sich vergleichsweise gut auf viele Qubits erweitern. Dazu gehören Pasqal aus Frankreich, planqc aus Garching sowie QuEra und Atom Computing aus den USA.

Photonen, Spins und topologische Qubits

Photonische Rechner arbeiten mit Lichtteilchen (etwa PsiQuantum, Xanadu); ein Teil der Technik läuft bei Raumtemperatur, die Detektoren für die einzelnen Photonen müssen aber gekühlt werden. Intel forscht an Spin-Qubits in Silizium, die sich mit Methoden der Chipfertigung herstellen lassen. Microsoft verfolgt mit topologischen Qubits einen besonders ungewöhnlichen Weg und stellte 2025 den Chip „Majorana 1“ vor; in der Fachwelt ist umstritten, wie weit dieser Ansatz tatsächlich ist.

Quanten-Annealer

D-Wave aus Kanada verkaufte ab 2011 als erstes Unternehmen kommerzielle Quantenrechner. Diese sogenannten Annealer sind keine universellen Quantencomputer, sondern auf eine bestimmte Art von Optimierungsproblemen zugeschnitten. In Vergleichen werden sie deshalb oft getrennt betrachtet.

Warum Fehlerkorrektur der eigentliche Engpass ist

Qubits sind extrem störanfällig. Wärme, Vibrationen oder elektromagnetisches Rauschen bringen ihre Überlagerung schon nach Sekundenbruchteilen durcheinander. Fachleute nennen das Dekohärenz. Jede Rechenoperation hat zudem eine kleine Fehlerquote. Bei einigen Dutzend Schritten fällt das kaum ins Gewicht, bei Millionen Schritten wird das Ergebnis zu Rauschen.

Die Lösung heißt Quantenfehlerkorrektur: Viele physikalische Qubits bilden gemeinsam ein logisches Qubit, dessen Fehler laufend erkannt und ausgeglichen werden. Das funktioniert aber nur, wenn die einzelnen Qubits schon gut genug sind – sonst schafft jedes zusätzliche Qubit mehr Fehler, als es korrigiert. Je nach Verfahren und Fehlerrate braucht ein logisches Qubit Dutzende bis über tausend physikalische Qubits.

Daraus folgt eine Faustregel für Pressemitteilungen: Die bloße Zahl der Qubits sagt wenig. Entscheidend ist, wie fehlerarm sie arbeiten und wie viele logische Qubits daraus entstehen. Ein Rechner mit 100 sehr guten Qubits kann nützlicher sein als einer mit 1.000 schlechten.

Wo die Technik heute steht

Die heutigen Geräte ordnet die Fachwelt meist als NISQ-Rechner ein, nach dem englischen Begriff „Noisy Intermediate-Scale Quantum“: Sie haben einige Dutzend bis über tausend Qubits, sind aber noch so fehleranfällig, dass sie keine langen Rechnungen durchhalten. Die wichtigsten Etappen der letzten Jahre:

• 2019: Google meldete mit dem 53-Qubit-Prozessor Sycamore die „Quantenüberlegenheit“ – eine Rechenaufgabe, die für Supercomputer unerreichbar sein sollte. Die Aufgabe hatte allerdings keinen praktischen Nutzen, und klassische Verfahren holten später deutlich auf.
• 2023: IBM stellte mit Condor einen Prozessor mit über 1.000 Qubits vor, setzte danach aber erkennbar auf Qualität statt Menge.
• Ende 2024: Google zeigte mit dem Chip Willow, dass die Fehlerrate eines logischen Qubits sinkt, wenn man es aus mehr physikalischen Qubits aufbaut. Das galt als wichtiger Nachweis, dass Fehlerkorrektur grundsätzlich skaliert.
• 2025: Google meldete im Oktober mit dem Algorithmus „Quantum Echoes“ auf Willow erstmals einen überprüfbaren Rechenvorteil: rund 13.000-mal schneller als das beste klassische Verfahren auf einem Supercomputer. Fachleute diskutieren noch, wie belastbar dieser Vorsprung ist. Im November brachte Quantinuum den Ionenfallen-Rechner Helios mit 98 Qubits heraus, IBM stellte den Prozessor Nighthawk mit 120 Qubits und den Testchip Loon für die Fehlerkorrektur vor. Mehrere Anbieter legten Fahrpläne für fehlertolerante Rechner vor. IBM will bis Ende 2026 einen nachgeprüften Quantenvorteil zeigen und kündigte für 2029 ein System mit rund 200 logischen Qubits an; andere Hersteller nennen ähnliche Zeiträume um 2030.

Firmenfahrpläne sind Absichtserklärungen, keine Liefertermine. Realistisch ist: Erste wirklich nützliche Anwendungen werden in der Chemie- und Materialforschung erwartet, voraussichtlich in diesem Jahrzehnt oder Anfang des nächsten. Wann ein Rechner existiert, der RSA in der Praxis bricht, weiß niemand genau. Die Schätzungen dafür, wie viele Qubits nötig wären, sind in den vergangenen Jahren allerdings deutlich gesunken.

Auch die Marktprognosen von damals lohnen einen kritischen Blick. Ein Ende 2020 veröffentlichter Bericht von Inside Quantum Technology sagte für 2026 einen Markt von 2,2 Milliarden Dollar und rund 180 installierte Quantencomputer voraus, der Großteil der Umsätze über Cloud-Zugänge. Solche Zahlen gehen zwischen Analysten weit auseinander und taugen eher als Stimmungsbild denn als Planungsgrundlage. Zutreffend war die Richtung: Unternehmen mieten Rechenzeit in der Cloud, statt eigene Anlagen zu kaufen.

Was Quantencomputer für Ihre Verschlüsselung bedeuten

Hier wird das Thema für jedes Unternehmen konkret. Fast jede sichere Verbindung im Internet, jede digitale Signatur und viele VPN-Zugänge beruhen auf Public-Key-Verfahren wie RSA oder elliptischen Kurven. Ihre Sicherheit hängt daran, dass bestimmte mathematische Aufgaben, etwa das Zerlegen sehr großer Zahlen in Primfaktoren, für klassische Rechner praktisch unlösbar sind. Ein ausreichend großer, fehlerkorrigierter Quantencomputer könnte sie mit dem Shor-Algorithmus lösen.

Anders sieht es bei symmetrischen Verfahren wie AES aus, mit denen etwa Festplatten oder die eigentlichen Datenströme verschlüsselt werden. Der Grover-Algorithmus verschafft einem Angreifer hier nur einen begrenzten Vorteil. AES bleibt mit ausreichender Schlüssellänge sicher; für langfristigen Schutz rät das BSI zu 256-Bit-Schlüsseln.

Warum das schon heute wichtig ist, obwohl es den passenden Rechner noch nicht gibt? Wegen einer Strategie, die unter dem Schlagwort „Store now, decrypt later“ bekannt ist: Angreifer zeichnen verschlüsselte Daten heute auf und entschlüsseln sie, sobald es möglich ist. Für Daten, die noch in zehn oder fünfzehn Jahren vertraulich sein müssen – Patente, Gesundheitsdaten, Verträge, Personalakten –, läuft die Uhr also bereits.

Post-Quanten-Kryptografie und die Empfehlungen des BSI

Die Antwort heißt Post-Quanten-Kryptografie: neue Verfahren, die auf gewöhnlichen Computern laufen, aber auch Quantenangriffen standhalten sollen. Die US-Standardisierungsbehörde NIST hat im August 2024 die ersten Standards veröffentlicht, darunter ML-KEM für den Schlüsselaustausch und ML-DSA für digitale Signaturen.

Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) empfiehlt in seiner Technischen Richtlinie TR-02102-1, Post-Quanten-Verfahren vorerst hybrid einzusetzen, also in Kombination mit einem bewährten klassischen Verfahren. So bleibt eine Verbindung sicher, selbst wenn sich eines der beiden Verfahren später als schwach erweist. Die EU-Mitgliedstaaten haben im Juni 2025 einen gemeinsamen Fahrplan vorgelegt: Der Umstieg soll bis Ende 2026 beginnen, für Anwendungen mit hohem Risiko bis Ende 2030 abgeschlossen sein und für die übrigen möglichst bis 2035.

Für Unternehmen bedeutet das in der Praxis vor allem Bestandsaufnahme. Wo werden welche Verfahren eingesetzt, in Webservern, VPN, E-Mail-Verschlüsselung, Signaturen, eingebetteten Geräten? Welche Daten müssen wie lange geschützt bleiben? Und lässt sich die Kryptografie in den eigenen Systemen austauschen, ohne alles neu zu bauen? Fachleute sprechen von Krypto-Agilität. Wer hier Unterstützung sucht, findet sie im Themenbereich Cybersicherheit; einen Einstieg für die Leitungsebene bietet der Vortrag Kryptographie für Entscheider und Führungskräfte.

Nicht zu verwechseln ist das mit der Quantenkommunikation. Bei der Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) werden Schlüssel über einzelne Lichtteilchen ausgetauscht; jeder Lauschversuch würde sich bemerkbar machen. Das ist physikalisch elegant, braucht aber spezielle Glasfaser- oder Satellitenverbindungen. Das BSI hält QKD derzeit aus Sicherheitssicht nicht für einsatzreif, sieht sie allenfalls für spezielle Anwendungsfälle und spricht keine Empfehlung dafür aus – die Antwort auf Quantenangriffe bleibt die Post-Quanten-Kryptografie.

Deutschland und Europa im Wettlauf

Die USA und China investieren am meisten, doch Europa ist im Feld gut vertreten, vor allem in der Forschung und bei Start-ups. Die Bundesregierung stellte 2020 im Konjunktur- und Zukunftspaket rund zwei Milliarden Euro für Quantentechnologien bereit und legte 2023 ein Handlungskonzept Quantentechnologien vor. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) vergibt mit seiner Quantencomputing-Initiative Aufträge an Unternehmen, die Rechner und Software entwickeln.

Auch die Infrastruktur wächst. IBM betreibt seit 2021 ein Quantensystem in Ehningen bei Stuttgart und hat dort 2024 ein europäisches Quanten-Rechenzentrum eröffnet. Das Forschungszentrum Jülich und das Leibniz-Rechenzentrum in Garching binden Quantenrechner an ihre Supercomputer an, auch im Rahmen der europäischen Initiative EuroHPC. Auf EU-Ebene läuft seit 2018 das Quantum-Flagship-Programm; 2025 hat die EU-Kommission eine eigene Quantenstrategie vorgestellt.

Frankreich, die Niederlande, Finnland und das Vereinigte Königreich haben eigene nationale Programme und eine lebendige Start-up-Szene. Für den Mittelstand ist das eine gute Nachricht: Zugang zu Quantenrechnern, Forschungsprojekten und Fachleuten gibt es nicht nur über die großen US-Konzerne.

Was das für Ihr Unternehmen bedeutet

Meine Einschätzung: Einen eigenen Quantencomputer brauchen Sie nicht, und für die meisten Unternehmen lohnt es sich derzeit auch nicht, eigene Quantenalgorithmen zu entwickeln. Ausnahmen sind Chemie, Pharma, Materialforschung, Logistik mit sehr großen Planungsproblemen und die Finanzbranche – dort beobachten viele Häuser das Feld mit kleinen Teams, Pilotprojekten in der Cloud und Kooperationen mit Hochschulen.

Handeln sollten dagegen alle, bei der Verschlüsselung. Wer langlebige vertrauliche Daten hat oder Produkte mit langer Lebensdauer baut, etwa Maschinen, Fahrzeuge oder Medizintechnik, sollte das Thema Post-Quanten-Kryptografie in die eigene digitale Strategie aufnehmen und bei Herstellern nachfragen, wann ihre Produkte die neuen Verfahren unterstützen. Das ist weniger spektakulär als ein Quantenchip, aber der Teil der Quantenrevolution, der Sie mit Sicherheit betrifft.

Und schließlich lohnt der nüchterne Blick: Quantencomputing ist eine von mehreren Technologien, die die digitale Transformation in den kommenden Jahren prägen. Wer Ankündigungen einordnen kann, trifft bessere Entscheidungen, als wer jedem Rekord hinterherläuft.

Häufige Fragen zum Quantencomputer

Ersetzt der Quantencomputer den normalen PC?

Nein. Quantencomputer sind Spezialrechner für bestimmte mathematische und physikalische Aufgaben. Sie werden auf absehbare Zeit in Rechenzentren stehen und über die Cloud genutzt, ergänzend zu klassischen Rechnern.

Kann ein Quantencomputer heute schon Passwörter oder Verschlüsselung knacken?

Nein. Die heutigen Geräte sind dafür viel zu klein und zu fehleranfällig. Das Risiko liegt in der Zukunft, betrifft aber Daten, die schon heute abgefangen und gespeichert werden. Passwörter selbst werden in der Regel mit Hashverfahren geschützt, die von Quantencomputern ähnlich wenig profitieren wie AES.

Wie viele Qubits braucht ein nützlicher Quantencomputer?

Das hängt von der Aufgabe und der Qualität der Qubits ab. Für die Chemie-Simulation könnten einige hundert gute logische Qubits genügen, für das Brechen von RSA-2048 kam eine viel beachtete Schätzung von 2025 auf knapp eine Million verrauschter physikalischer Qubits, neuere Vorschläge mit anderen Fehlerkorrekturverfahren auf deutlich weniger. Heutige Geräte liegen weit darunter.

Was kostet es, einen Quantencomputer zu nutzen?

Die großen Anbieter rechnen Cloud-Zugänge nach Rechenzeit oder Ausführungen ab; für Lernzwecke gibt es teils kostenlose Kontingente auf kleineren Systemen und Simulatoren. Für ernsthafte Projekte sind Forschungskooperationen und Förderprogramme oft der bessere Einstieg.