Quantencomputer werden unsere Welt in nicht allzu ferner Zukunft revolutionieren. Obwohl vor der alltäglichen Anwendung noch zahlreiche Stolpersteine entfernt werden müssen, bedeuten diese neuartigen Computer einen großen Schritt für die Technologie und unsere Gesellschaft. Das betrifft besonders die Bereiche Kryptografie und Cybersicherheit. Die neuen Techniken des Quantencomputers können die kryptografische Welt auf den Kopf stellen und schwerwiegende Auswirkungen auf die Informationssicherheit und die Welt insgesamt haben.

Was können Quantencomputer?

Im Wesentlichen nutzen Quantencomputer die Eigenschaften der Quantenmechanik, um Berechnungen durchzuführen. Dies steht im Gegensatz zu den herkömmlichen (digitalen) Computern, die den Eigenschaften der klassischen Physik entsprechen.

Quantencomputer stützen sich auf Informationseinheiten, die als Qubits bekannt sind. Diese können in Zuständen von Null und Eins sowie Überlagerungen von Null und Eins existieren. Im Vergleich dazu verwenden klassische Computer nur Einsen und Nullen, um Informationen zu speichern.

Da Quantencomputer nach völlig anderen Prinzipien arbeiten als die Computer, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, verfügen sie auch über andere Fähigkeiten. Viele Experten erwarten, dass sie in der Lage sein werden, Dinge zu berechnen und mathematische Probleme zu lösen, die klassische Computer heute nicht können. Fachleute bezeichnen diese Errungenschaft als Quantenüberlegenheit, obwohl sie bisher noch nicht erreicht wurde.

Einige der möglichen Anwendungen des Quantencomputers umfassen:

• Ausführen komplexerer KI-Programme
• Fortgeschrittene Berechnungen in der Physik
• Berechnung und Modellierung von komplexen Finanz-Modellen und eigenständig optimierte Investmentportfolios durch einen Robo Advisor [1]
• Modellierung diffiziler chemischer Reaktionen, die zu Innovationen und Fortschritten in der Chemie führen können.
• Genaue Berechnung und Vorhersage von Wetter- und Klimaschwankungen
• Entschlüsseln derzeit sichere kryptografische Algorithmen sowie Einführung neuer Kryptosysteme

Quantencomputer existieren bereits, momentan sind es aber sehr schwache und instabile Maschinen, die für ernsthafte Berechnungen nicht infrage kommen. Zu den führenden Unternehmen zählen Google, Intel, IBM und D-Wave.

IBM testet derzeit einen 53-Qubit Quantencomputer [2], während Google an einen 72-Qubit-Computer arbeitet [3]. Trotz dieser Bemühungen gibt es für Quantencomputer derzeit nicht viele praktische Anwendungen. Das wird sich erst ändern, wenn die Wissenschaftler die Quanten-Dekohärenz (Wechselwirkung und Verlust von Informationen an die Umgebung) verringern und die Anzahl der Qubits signifikant erhöhen können. Nach Meinung vieler Experten wird es noch mindestens zehn Jahre dauern, bis dieser neue Computer-Typ kommerziell einsetzbar ist. Manche Wissenschaftler halten fünfzehn Jahre für realistischer.

Quantencomputer und Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln

Bei der Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln werden separate Schlüssel für die Ver- und Entschlüsselung verwendet, von denen einer öffentlich und einer privat ist. Diese kryptografischen Systeme sind ein wesentlicher Bestandteil vieler Datenschutz-Mechanismen, die die Sicherheit unserer Online-Welt gewährleisten.

Die Kryptografie mit öffentlichem Schlüssel wird verwendet für:

Authentifizierung und Autorisierung eines anderen Teilnehmers an einer Verbindung

Die Verschlüsselung mit öffentlichem Schlüssel wird im Allgemeinen mit digitalen Zertifikaten kombiniert, um zu überprüfen, ob der andere Teilnehmer an einer Verbindung derjenige ist, für den er sich ausgibt, und kein Betrüger.

Gemeinsame Schlüssel entwickeln

Diese können zum Sichern der Daten in einer Verbindung verwendet werden.

Digitale Signaturen

Diese werden verwendet, um andere Parteien zu autorisieren, die Integrität von Daten zu überprüfen und die Qualität der Nicht-Ablehnung zu gewährleisten.

Verschlüsselung

In der Praxis wird die Verschlüsselung mit öffentlichen Schlüsseln nicht zum Verschlüsseln der meisten Daten verwendet. Stattdessen wird ein symmetrischer Schlüssel verschlüsselt, der die Daten effizienter verschlüsselt.

Die oben genannten Aspekte sind von entscheidender Bedeutung für viele Tätigkeiten, vom normalen Surfen im Internet bis zur Überweisung großer Geldsummen. Quantencomputer wären in der Lage, die allgemein verwendeten Verschlüsselungssysteme mit öffentlichem Schlüssel wie RSA, den Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch und deren Varianten vollständig zu entschlüsseln.

Warum sind Quantencomputer eine Bedrohung für die Cybersicherheit?

Zu den einzigartigen Eigenschaften von Quantencomputern gehört es, Berechnungen durchzuführen, die derzeit mit klassischen Computern unmöglich sind. Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf die Cybersicherheitslandschaft haben. Wesentliche Teile unserer digitalen Sicherheit basieren auf kryptografischen Berechnungen, die in eine Richtung einfach, in umgekehrter Richtung jedoch fast unmöglich durchzuführen sind. Selbst gängige Verschlüsselungsalgorithmen, mit denen wir heute Daten sichern, können ohne viel Zeit und Rechenaufwand nicht brutal erzwungen werden.

Dies ist mit einer Einschränkung verbunden: Diese Berechnungen können mit der aktuellen Technologie und den aktuellen Techniken nicht rückgängig gemacht werden. Quantencomputer sind eine neue Art Computer, die mit einer Vielzahl unterschiedlicher Technologien einhergehen. Einige davon sind bereits dafür bekannt, verschiedene Kryptosysteme zu entschlüsseln, auf die wir uns verlassen, um unsere tägliche Kommunikation sicher zu halten.

Wenn Quantencomputer in die Hände von Angreifern gelangen, können sie theoretisch Systeme aufbrechen, die als sicher gegen klassische Computerangriffe gelten, und so den Angreifern den Zugriff auf Daten ermöglichen, die zuvor sicher waren.

Gegenwärtig stellen Quantencomputer die größte Bedrohung für unsere am häufigsten verwendeten Public-Key-Verschlüsselungsverfahren dar. Einige Algorithmen mit symmetrischen Schlüsseln sind ebenfalls betroffen, jedoch nicht in gleichem Maße.

Natürlich steckt die Entwicklung des Quantencomputers immer noch voller Überraschungen, sodass es nicht ausgeschlossen ist, dass in einem bestimmten Stadium andere wichtige Schwachstellen in verschiedenen kryptographischen Systemen gefunden werden.

Quantencomputer: Mehr als nur eine Sicherheitsbedrohung

Quantencomputer sind eine Bedrohung, wenn es um Internetsicherheit und Kryptographie geht. Trotz der Gefahren, die Quantencomputer auf diesem Gebiet mit sich bringen kann, könnte es auch Vorteile geben.

Die einzigartigen Eigenschaften der Quantenmechanik eröffnen eine Welt neuer Möglichkeiten, wenn es um sichere Kommunikation geht. Mögliche Anwendungen sind die Quantenverschlüsselung und digitale Quantensignaturen. Einige davon, wie die Quantenschlüsselverteilung, werden bereits verwendet.

Die Quantenschlüsselverteilung ist mit jedem anderen Schlüsselaustauschprotokoll vergleichbar. Damit können zwei Parteien sicher einen symmetrischen Schlüssel einrichten, mit dem sie ihre zukünftige Kommunikation verschlüsseln können. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die einzigartigen Eigenschaften der Quantenmechanik genutzt werden, sodass die beiden Parteien erkennen können, ob ein Angreifer die Nachrichten abhört.

Möglich wird dies durch eines der Grundprinzipien der Quantenmechanik: Jeder Versuch, ein Quantensystem zu messen, wird es verändern. Da das Abfangen von Daten im Wesentlichen eine Form der Messung ist, erkennt ein Quantenschlüsselverteilungsschema alle Anomalien, die von einem abhörenden Angreifer stammen, und bricht die Verbindung ab.

Wenn das System kein Abhören erkennt, wird die Verbindung hergestellt. Die Teilnehmer können dann sicher sein, dass der von ihnen entwickelte Schlüssel sicher ist, solange eine angemessene Authentifizierung stattgefunden hat.

Die Verteilung von Quantenschlüsseln wird derzeit in bestimmten Situationen verwendet, in denen ein hohes Sicherheitsbedürfnis besteht, zum Beispiel bei Bankgeschäften und Abstimmungen. Es ist immer noch relativ teuer und kann nicht über große Entfernungen verwendet werden, was eine weite Verbreitung bisher verhindert hat.

Quantencomputer bedrohen außerdem unsere häufig verwendeten digitalen Signatur-Schemata. Diese basieren auf Public-Key-Chiffren, die für bestimmte Entschlüsselungs-Algorithmen anfällig sind. Die neue Technologie öffnet aber auch die Tür für digitale Quantensignaturen, die diesen Angriffen widerstehen würden.

Quanten-Digitalsignaturen funktionieren genauso wie normale Digitalsignaturen und können Daten authentifizieren, ihre Integrität überprüfen und nicht widerlegen. Der Unterschied besteht darin, dass sie sich auf die Eigenschaften der Quantenmechanik stützen und nicht auf mathematische Probleme, die sich nur schwer umkehren lassen.

Quantencomputer und Informationssicherheit – Müssen wir uns Sorgen machen?

In der Praxis arbeitende Quantencomputer sind noch in weiter Ferne und es gibt eine Menge, die noch zu lösen sind. Zurzeit stehen die Wissenschaftler vor großen Herausforderungen. Aktuelle Maschinen sind nicht leistungsfähig genug und die Probleme im Zusammenhang mit der Quanten-Dekohärenz (siehe oben) müssen gelöst werden.

Obwohl unsere aktuellen kryptographischen Systeme derzeit sicher zu sein scheinen, besteht immer noch das Risiko, dass neue Algorithmen, Techniken und Angriffe entdeckt werden. Wenn die Quantencomputer marktreif sind, können diese Risiken weitaus größer sein als erwartet.

Auch wenn ein Quantencomputer noch Jahre entfernt ist, könnte ein Worst-Case-Szenario dazu führen, dass diese Computer in die Hände von Angreifern fallen, bevor die geeigneten Abwehrmechanismen vorhanden sind. Dies wäre für alle unsere digitalen Kommunikationen katastrophal. Deshalb sollten wir jetzt mit Vorsichtsmaßnahmen beginnen. Solange wir unseren derzeitigen Weg fortsetzen und keine plötzlichen Überraschungen auftauchen, sollte das mögliche Eintreffen des praktischen Quantencomputers keine größeren Störungen oder Umwälzungen verursachen.

Quellen und Referenzen:

[1] https://www.fitformoney.de/robo-advisor-test/

[2] https://techcrunch.com/2019/09/18/ibm-will-soon-launch-a-53-qubit-quantum-computer/

[3] https://www.zdnet.de/88327889/google-erreicht-mit-72-qubit-rechner-durchbruch-bei-quantenrechnern/