Quantum computing as an enabling technology for the next business cycle

We need more computing capacity for the next growth cycle, and computers with conventional transistor technology are reaching their limits. So new ideas are required. The quantum computer, which overcomes the binary system and is not based on silicon microchips, could be a solution. This technology will continue to develop exponentially and transform science, the economy, and society. Furthermore, the paradigm of quantum communication offers an entirely novel possibility of distributed computing by allowing quantum computers to be networked via quantum channels to intrinsically secure communication. This article explains how quantum computers exploit new phenomena that do not occur in classical physics. Along the four primary application areas identified (optimization, simulation, machine learning, and cryptography), we describe possible applications in various industries. Our critical appraisal presents the technical challenges that still hold the potential for quantum computing to complement traditional computing systems. Accordingly, small and mid-sized companies do not necessarily need to invest in quantum computers but in their use. Quantum as a service can be the first step for visionary leaders to get familiar with it and gain a competitive advantage early on

Die ziemlich verrückte Welt der Quantencomputer. Ein Einblick.

Der Bericht gibt einen allgemeinen Einblick in den Entwicklungsstand von Quantencomputern. Neben den Grundlagen werden u.a. Quantengatter, Quantenalgorithmen und Quantenkryptografie beleuchtet

Quantum Awareness im Ingenieurwesen: Welche Kompetenzen werden in der Industrie von morgen gebraucht?

Quantentechnologien gewinnen rasant an Bedeutung und „Quantum Awareness“ wird auch im Ingenieurwesen immer wichtiger. Damit ergeben sich in der universitären Lehre neue Herausforderungen zur Ausbildung von „Quantum Engineers“. Hier setzt das Projekt an: Es werden Kenntnisse und Kompetenzen im Bereich der Quanteninformationstechnologien identifiziert, die teilweise schon jetzt, vor allem aber in Zukunft, in der Wirtschaft benötigt werden. Diese werden strukturiert, um schließlich messbare Kompetenzstufen abzuleiten.Mit einer Delphi-Studie soll eine Prognose des Bedarfs von und den Anforderungen an „Quantum Engineers“ ermittelt werden. Die Ergebnisse bilden dann die Basis zur Entwicklung eines Kompetenzmodells oder Rahmenkonzeptes. Der Vortrag thematisiert das methodische Vorgehen und den aktuellen Stand der Studie

Multipath Key Reinforcement in Weitverkehrsnetzen

Durch die drohende Existenz von praktikablen Quantencomputern steigt das Verlangen nach quantenresistenten Schlüsselaustauschprotokollen immer weiter. Vor allem in Weitverkehrsnetzen (WANs) ist das Absichern der Kommunikation entscheidend. Dabei setzt der momentane Stand der Wissenschaft auf die Post-Quanten-Kryptographie (PQC). Verfahren aus dieser Klasse haben aber entscheidende Nachteile: das Vertrauen in die Sicherheit fehlt oder die Performance ist im Vergleich zu etablierten Verfahren schlecht. Die Nachteile schließen sich dabei nicht gegenseitig aus. Aufgrund dessen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Schlüsselaustauschprotokoll entwickelt, welches auf Verfahren aus der PQC verzichtet. Das Verfahren bestimmt dabei möglichst viele Pfade, über die jeweils eine Zufallszahl ausgetauscht wird. Diese Zufallszahlen werden dann zu einem gemeinsamen Schlüssel abgeleitet. Die Erkundung der Wege ist dabei die zentrale Aufgabe des Protokolls, da sich die Sicherheit auf die Diversität und Anzahl der Pfade stützt, und wird mithilfe von begrenzten Fluten gelöst. Zusätzlich kann das Protokoll die erreichte Sicherheit automatisiert bewerten. Ein Quantencomputer stellt dabei keine große Bedrohung dar, da ein Angreifer alle Pfade kompromittieren muss, um den Schlüssel abzuleiten. Das Konzept wird dabei in ein VPN-Autokonfigurationsnetz integriert. Mithilfe einer Simulation wird dann das Konzept evaluiert, um die Eigenschaften Skalierbarkeit, Robustheit und Sicherheit zu untersuchen. Das entwickelte Konzept bietet dabei zusätzlich zu der Quantenresistenz hohe Robustheit gegenüber dynamischen Änderungen im Netz, logarithmische Abhängigkeit der Paketgröße von der Netzgröße und eine hohe Diversität der Pfade.Due to the threatened existence of practicable quantum computers, the demand for quantum-resistant key exchange protocols continues to grow. Securing communication is particularly important in wide area networks (WANs). The current state of science relies on post-quantum cryptography (PQC). However, algorithms from this class have significant disadvantages: there is no trust in security or the performance is poor compared to established algorithms. The disadvantages are not mutually exclusive. Because of this, a key exchange protocol was developed in this work, which does not use PQC algorithms. The method determines as many paths as possible, each of which is used to exchange a random number. These random numbers are then used to derive a key. Exploring paths is the central task of the protocol, since security relies on the diversity and number of paths and is solved with the help of limited flooding. In addition, the protocol can automatically evaluate the achieved security. A quantum computer does not represent a major threat because an attacker would have to compromise all paths in order to derive the key. The concept is integrated into a VPN auto-configuration network. With the help of a simulation the concept is then evaluated in order to examine the properties of scalability, robustness and security. In addition to the quantum resistance, the developed concept offers high robustness against dynamic changes in the network, logarithmic dependency of the packet size on the network size and a high diversity of the paths

Quantum Awareness im Ingenieurwesen: Welche Kompetenzen werden in der Industrie von morgen gebraucht?

Quantentechnologien gewinnen rasant an Bedeutung und „Quantum Awareness“ wird auch im Ingenieurwesen immer wichtiger. Damit ergeben sich in der universitären Lehre neue Herausforderungen zur Ausbildung von „Quantum Engineers“. Hier setzt das Projekt an: Es werden Kenntnisse und Kompetenzen im Bereich der Quanteninformationstechnologien identifiziert, die teilweise schon jetzt, vor allem aber in Zukunft, in der Wirtschaft benötigt werden. Diese werden strukturiert, um schließlich messbare Kompetenzstufen abzuleiten.Mit einer Delphi-Studie soll eine Prognose des Bedarfs von und den Anforderungen an „Quantum Engineers“ ermittelt werden. Die Ergebnisse bilden dann die Basis zur Entwicklung eines Kompetenzmodells oder Rahmenkonzeptes. Der Vortrag thematisiert das methodische Vorgehen und den aktuellen Stand der Studie

Quanteninformationstheorie im Schulunterricht

Die Quanteninformationstheorie ist ein modernes interdisziplinäres Forschungsgebiet, welches Quantentheorie und Informationswissenschaften vereint. Dabei geht es einerseits um eine systematische Untersuchung und ein besseres Verständnis der seltsamen Quanteneigenschaften, allen voran der quantenmechanischen Verschränkung, andererseits um eine praktische Nutzung dieser Effekte im Sinne der Informationsverarbeitung. In den letzten Jahren hat es dabei sowohl auf konzeptioneller als auch auf experimenteller Ebene interessante Fortschritte gegeben, welche uns einer praktischen Nutzung von Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und Quanteninformationsverarbeitung mit Quantencomputern näher bringen. In diesem Beitrag soll die Relevanz der Quanteninformationstheorie für den Schulunterricht -im Sinne eines alternativen Zugangs zur Quantenphysik- diskutiert und erste Ansätze für ein darauf basierendes Unterrichtskonzept vorgestellt werden

Quanteninformationstheorie im Schulunterricht

Die Quanteninformationstheorie ist ein modernes interdisziplinäres Forschungsgebiet, welches Quantentheorie und Informationswissenschaften vereint. Dabei geht es einerseits um eine systematische Untersuchung und ein besseres Verständnis der seltsamen Quanteneigenschaften, allen voran der quantenmechanischen Verschränkung, andererseits um eine praktische Nutzung dieser Effekte im Sinne der Informationsverarbeitung. In den letzten Jahren hat es dabei sowohl auf konzeptioneller als auch auf experimenteller Ebene interessante Fortschritte gegeben, welche uns einer praktischen Nutzung von Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und Quanteninformationsverarbeitung mit Quantencomputern näher bringen. In diesem Beitrag soll die Relevanz der Quanteninformationstheorie für den Schulunterricht -im Sinne eines alternativen Zugangs zur Quantenphysik- diskutiert und erste Ansätze für ein darauf basierendes Unterrichtskonzept vorgestellt werden

Technologie- und Industriepolitik im neuen Systemwettbewerb: Wie Deutschland seine technologischen Fähigkeiten und industrielle Stärke bewahren kann

Als eine der weltweit am stärksten globalisierten Volkswirtschaften steht Deutschland vor der Herausforderung, sich in einem umkämpften internationalen Marktumfeld zu positionieren, das geprägt ist von aggressiven Subventionsstrategien sowie einem globalen Wettlauf um die Kontrolle von Schlüsseltechnologien wie hochentwickelten Chips und fragilen Lieferketten für kritische Komponenten. Hinzu kommen die aufgrund des russischen Angriffskriegs gegen die Ukraine gestiegenen Energiepreise, die die deutsche Industrie zusätzlich belasten. Zugleich durchläuft Deutschlands Industriewirtschaft einen grundlegenden Wandel von hochpräziser Fertigung zu systembasierten industriellen Produkten. Im Zuge dieses Wandels wird der Zugang zu digitalen Spitzentechnologien zu einer wichtigen Grundlage für die künftige industrielle Wettbewerbsfähigkeit des Landes. Dennoch tut sich Deutschland schwer damit, in schnell wachsenden Märkten wie denen für Cloud- und Edge-Infrastrukturen Wert zu schöpfen. Außerdem ist das Land Risiken ausgesetzt, die sich aus seiner Exposition gegenüber nicht vertrauenswürdigen Technologieanbietern sowie möglichen geopolitischen Spannungen in fragilen Hardware-Lieferketten ergeben

Performanz Evaluation von PQC in TLS 1.3 unter variierenden Netzwerkcharakteristiken

Quantum computers could break currently used asymmetric cryptographic schemes in a few years using Shor's algorithm. They are used in numerous protocols and applications to secure authenticity as well as key agreement, and quantum-safe alternatives are urgently needed. NIST therefore initiated a standardization process. This requires intensive evaluation, also with regard to performance and integrability. Here, the integration into TLS 1.3 plays an important role, since it is used for 90% of all Internet connections. In the present work, algorithms for quantum-safe key exchange during TLS 1.3 handshake were reviewed. The focus is on the influence of dedicated network parameters such as transmission rate or packet loss in order to gain insights regarding the suitability of the algorithms under corresponding network conditions. For the implementation, a framework by Paquin et al. was extended to emulate network scenarios and capture the handshake duration for selected algorithms. It is shown that the evaluated candidates Kyber, Saber and NTRU as well as the alternative NTRU Prime have a very good overall performance and partly undercut the handshake duration of the classical ECDH. The choice of a higher security level or hybrid variants does not make a significant difference here. This is not the case with alternatives such as FrodoKEM, SIKE, HQC or BIKE, which have individual disadvantages and whose respective performance varies greatly depending on the security level and hybrid implementation. This is especially true for the data-intensive algorithm FrodoKEM. In general, the prevailing network characteristics should be taken into account when choosing scheme and variant. Further it becomes clear that the performance of the handshake is influenced by external factors such as TCP mechanisms or MTU, which could compensate for possible disadvantages due to PQC if configured appropriately.Comment: Master's thesis, 160 pages, in Germa