Quantentechnologie und Quantencomputer-resistente Sicherheit

Quantencomputern wird ein enormes Potenzial zugeschrieben, da ihre Fähigkeiten auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhen. Unternehmen, Organisationen und Länder leisten sich geradezu ein Rennen bei der Entwicklung eines leistungsfähigen Quantencomputers, um bestimmte Probleme der Praxis sehr viel schneller zu lösen als es mit klassischen Rechnern je möglich ist. Im vergangenen Jahr wurde die sogenannte "Quantum Supremacy", also die Quantenüberlegenheit, zum ersten mal von Google proklamiert. Die Anwendungsfelder von Quantencomputern und Quantentechnologien im Allgemeinen reichen von der effizienten Simulation von chemischen Prozessen bzw. Molekülbewegungen bis hin zur Optimierung von Prozessen, wodurch man sich große Vorteile im Finanzwesen, in der Verkehrsoptimierung oder Logistik verspricht. Das Besondere hierbei ist, dass die Quantenmechanik physikalische Effekte beschreibt, die wir im Alltag so nicht beobachten können. Auch Albert Einstein sprach vom Phänomen der "spukhaften Fernwirkung", bei der weit entfernte Teilchen miteinander verschränkt sind, oder perfekt miteinander korrelieren ohne dabei Informationen zu übertragen. Ein weiteres Phänomen ist die Superposition, wodurch Operationen auf mehreren Zuständen zugleich möglich wird. Dies eröffnet neue Geschäftsfelder, die unsere Systemlandschaft und Denkweise maßgeblich verändern können.

Doch die Kehrseite der Medaille besteht darin, dass Quantencomputer in der Lage sind, unsere gegenwärtige Sicherheitsinfrastruktur vollständig außer Kraft zu setzen. Peter Shor hat uns im Jahr 1994 gezeigt, dass die im Einsatz befindlichen Public Key Verfahren mittels Quantencomputer-Angriffen gebrochen werden können. Dies hat weitreichende Konsequenzen, da ohne einen adäquaten Ersatz die Sicherheit im Internet (TLS-Protokoll), wie z.B. bei der Authentifikation mittels Signaturen oder bei Finanztransaktionen, nicht mehr gegeben ist.

Infolge dieser großen Bedrohung hat die Forschung von Quantencomputer-resistenten Kryptoverfahren sehr stark zugenommen. Dabei werden verschiedene Ansätze erforscht und in die Praxis überführt, um das gewünschte Sicherheitsniveau auch in Gegenwart mächtiger Quantencomputer weiterhin zu gewährleisten. Diese Ansätze basieren auf mathematischen Problemen, die auch von Quantencomputern nicht effizient gelöst werden können. Der effiziente und flexible Austausch (,,Kryptoagilität") von Kryptoverfahren soll ebenfalls reibungslos möglich sein, um bei möglichen Veränderungen möglichst schnell zu reagieren. Verschiedene Teile der Wirtschaft haben nun mit dem Einsatz begonnen, da das Risiko und der mögliche Schaden als sehr hoch eingeschätzt werden. Eine frühzeitige Umstellung ist damit unumgänglich.