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#Cybersecurity

Sicherheit in Zeiten des Quantencomputers

Globale Trends
7 Mins.

Der Weg zum Quantencomputing und zu quantensicheren Algorithmen ist eine der wichtigsten technologischen Aufgaben unserer Zeit. Quantencomputing wird unsere Geschäftsmodelle, technologischen Produkte und Lösungen von Grund auf verändern. Im Zuge der voranschreitenden Vernetzung muss jedes Element in unseren Netzwerken in Zukunft auch vor Cyberangriffen geschützt sein, die auf Quanteneffekten beruhen

Quantencomputing könnte den Verkehrsfluss optimieren, Moleküle modellieren, um eine neue Generation von Lithiumbatterien zu erschaffen1 oder durch leistungsfähigere MRT-Scans gesundheitliche Diagnosen verbessern.2 Quantencomputer werden sogar zu noch viel mehr in der Lage sein – und eine echte Revolution im Lösen komplexer Aufgaben herbeiführen. Die beeindruckenden Fähigkeiten von Quantencomputern werden zum größten Teil durch Qubits ermöglicht. Im Gegensatz zu traditionellen Computer-Bits, die nur mit 0 und 1 arbeiten, existieren Qubits in mehr als einem Zustand gleichzeitig – und zwar so lange, bis sie von einem Beobachter untersucht werden und damit einer der Zustände festgelegt wird, genau wie bei Schrödingers Katze. Diese Eigenschaft, zwei Zustände gleichzeitig einzunehmen, wird als Superposition bezeichnet. Quantencomputer nutzen also Superposition und Verschränkungen und können so mehrere Berechnungen simultan ausführen. Die Bedeutung lässt sich eindrucksvoll am Problem des Handlungsreisenden erklären.

Stellen Sie sich vor, ein Handlungsreisender muss mehrere Städte besuchen. Er muss einmal in jede Stadt fahren und zu seinem Ausgangspunkt zurückkehren, wobei er die kürzeste Route wählen muss. Würde es hierbei nur um drei oder vier Städte gehen, könnte man dies noch leicht im Kopf berechnen. Doch wenn beispielsweise elf Städte in die Gleichung einbezogen werden müssen, gibt es schon 20 Millionen mögliche Routen zwischen ihnen. Fügt man nur noch eine einzige weitere Stadt hinzu und geht von zwölf Stopps aus, steigt die Zahl der möglichen Routen schon auf unglaubliche 240 Millionen.3 Während ein traditioneller Computer letztendlich durch das Trial-and-Error-Prinzip auf die optimale Route kommen würde, könnte ein Quantencomputer theoretisch jeden Weg gleichzeitig überprüfen. Genauso wie jede weitere Stadt die Komplexität der Rechenaufgabe exponentiell steigert, führt jedes weitere Qubit in einem Computer zu einer exponentiellen Steigerung seiner Rechenkapazitäten.

Quantencomputing in der Praxis

Die große Bedeutung und die vielen Anwendungsfälle, die sich aus dem Quantencomputing ergeben, sind unbestreitbar. Was jedoch noch nicht ganz klar ist, ist, wann Quantencomputer skaliert werden können, um in praktischen Anwendungen zum Einsatz zu kommen. Technologie-Riesen aus aller Welt befinden sich derzeit in einem Wettlauf, in dem es darum geht, die Menge der Qubits in ihren Quantencomputern zu erhöhen und die Fehlerraten zu reduzieren, welche die Komplexität des Quantencomputings aktuell noch beschränken. Im Jahr 2019 verkündete Google offiziell, es habe die Quantenüberlegenheit erreicht (der Moment, in dem ein Quantencomputer einen klassischen Computer beim Lösen eines bestimmten Problems übertrifft).

Google gab bekannt, dass sein 54-Qubit-Prozessor Sycamore in der Lage sei, eine Berechnung mit ca. 9 Billiarden Schritten in nur 200 Sekunden auszuführen, eine Leistung, für die die stärksten Supercomputer der Welt 10.000 Jahre brauchen würden.4 IBM zweifelte diese Angaben an, indem es behauptete, aber nicht praktisch nachwies, dass ein klassisches System dafür höchstens 2,5 Tage brauchen würde, mit größeren zusätzlichen Optimierungen wahrscheinlich sogar noch weniger.5 Dennoch war die Nachricht von Google ein bedeutender Meilenstein. Neben den großen Tech-Unternehmen beginnen auch Quanten-Start-ups wie Rigetti mit der Entwicklung von Technologie und wirbeln die Branche auf. Rigetti führt ein 10 Mio. GBP schweres Konsortium an, das an dem ersten kommerziell nutzbaren Quantencomputer im Vereinigten Königreich arbeitet.6 Die Arbeit von Start-ups und Regierungsinitiativen wie dem Programm „Quantum Flagship“ der EU haben enorme Bedeutung, um die Relevanz der EU zu wahren und die technologische Führung im Quantenwettlauf über die US-amerikanischen Technologie-Riesen hinaus zu diversifizieren.7

“In zehn Jahren werden wir Dinge erreichen können, die heute undenkbar wären“
Christian Rathke
Innovation and Technology Manager, G+D

Die Konkurrenz zwischen den Betamax-Kassetten von Sony und den VHS-Kassetten von JVC in den 80er-Jahren hat uns eine Erkenntnis geliefert, die auch jetzt wieder relevant ist. Damals ging es um die Entwicklung von verschiedenen Formaten für ein und dieselbe Anwendung.8 Heute ist die Situation ähnlich – wir wissen nicht, welches Unternehmen, welche Lösung oder welche Hardware den Quantenwettlauf gewinnen wird. Dafür wissen wir aber, dass viele mächtige Protagonisten ihre Ideen weiter vorantreiben werden und sich der reale Einsatz von Quantencomputing in den nächsten Jahren rasant weiterentwickeln wird. Christian Rathke, Innovation and Technology Manager, G+D, ist von dem bahnbrechenden Potenzial der Quantentechnologie fest überzeugt. „Quantencomputing ist eine Schlüsseltechnologie, die die Menschheit einen großen Schritt weiterbringen wird. Zwar sind universell einsetzbare Quantencomputer noch nicht fertig entwickelt, doch in zehn Jahren werden wir Dinge erreichen können, die heute undenkbar wären“, sagt er.

Eine Branche, die massiv von Quantencomputing profitieren wird, ist das Bankwesen. Quantencomputing würde zu schnelleren und präziseren Entscheidungen führen, zum Beispiel bei der Optimierung von Investment-Portfolios. Es würde rechenintensive Preiskalkulationen beschleunigen und auch die Entscheidungsfindung bei individuellen Dienstleistungen optimieren.9 Es könnte allerdings auch eine Bedrohung für die Finanzsysteme darstellen, da ein Quantencomputer Sicherheitsmaßnahmen überwinden würde, mit denen digitale Währungen wie CBDCs geschützt werden. Hier werden quantensichere Algorithmen eine zentrale Rolle spielen.

Die neue Hürde: Post-Quanten-Kryptografie

Schichten aus goldfarbenen und transparenten Vorhängeschlössern mit Code darauf als Repräsentation der Post-Quanten-Kryptografie
Um von den Vorteilen des Quantencomputings profitieren zu können, sollten wir zunächst sicherstellen, dass quantensichere Algorithmen unsere Währungen, Identitäten und Kommunikation zuverlässig schützen

Es ist wie bei den meisten technologischen Innovationen: Mit großem Potenzial geht auch ein großes Risiko einher. Wenn hochkomplexe Rechenaufgaben und Verschlüsselungen mit der Geschwindigkeit und Effizienz von Quantencomputern gelöst werden können, macht dies eine Post-Quanten-Kryptografie dringend erforderlich. Um Kreditkarten, digitale Identitäten für die Grenzkontrolle, Smart Homes, vertrauliche Kommunikation und autonome Fahrzeuge zu verschlüsseln, muss die Post-Quanten-Kryptografie mathematische Aufgaben bereitstellen, die selbst ein Quantencomputer nicht lösen kann. Asymmetrische oder Public-Key-Kryptografie, ein Grundpfeiler der Public-Key-Infrastruktur (PKI), könnte in erheblichem Maße betroffen sein, da sie essenziell für die Sicherung unserer Zahlungssysteme, mobilen Netzwerke und Online-Kommunikation ist.10 Wenn jemand zum Beispiel einen scheinbar gültigen Pass durch Quantentechnologie fälschen könnte, wären unsere Grenzkontrollsysteme wirkungslos. Quantensichere Kryptografie muss eine undurchdringliche Barriere gegen Quantencomputer erschaffen und jede Komponente muss bei einer möglichen Flut von Cyberangriffen absolut undurchdringbar sein. Wenn nur eine Komponente schlecht verschlüsselt ist, wenn zum Beispiel das Entertainment-System eines autonomen Fahrzeugs durchdrungen werden kann, ist das komplette System anfällig für Angriffe. Dies unterstreicht, wie wichtig End-to-End-Cybersicherheit ist.

Eine weitere Bedrohung, die sich anbahnt, steckt hinter der Idee „Jetzt speichern, später entschlüsseln“. Theoretisch ist es so: Wenn jemand verschlüsselte geheime Regierungs- oder Militärinformationen speichert, könnten diese in zehn Jahren aufgedeckt und enthüllt werden, wenn die entsprechende Technologie dafür verfügbar ist. Dies zeigt, wie zeitkritisch die Entwicklung von quantensicherer Kryptografie ist. Eine Maßnahme, die zu diesem Zweck bereits umgesetzt wurde, ist die Quantum Key Distribution, eine alternative Art des Schlüsselaustauschs für sichere Kommunikation. Die Methode verwendet Prinzipien der Quantenmechanik, um ein „gemeinsames Geheimnis“ zwischen zwei Parteien herzustellen. China investiert große Summen in die Forschung, um mit dieser Methode eine sichere Online-Kommunikation zu erreichen. Der Quantenschlüsselaustausch weist zurzeit allerdings noch starke Einschränkungen in Bezug auf Reichweite und Bandbreite auf.11

Der Weg in eine Post-Quanten-Ära

Quantencomputing ist mittlerweile kein Problem der Grundlagenforschung mehr, sondern ein technisches. Obwohl wir bereits wichtige Meilensteine und große technologische Entwicklungen erreicht haben, liegt immer noch ein langer Weg vor uns, um zu einem praktischen Einsatz zu gelangen. Ein wichtiges Element in diesem Wettlauf ist das Festlegen von Standards, um dafür zu sorgen, dass angemessene Sicherheitsprotokolle entwickelt werden. Standardisierung spielt eine wichtige Rolle, denn sie bildet das Fundament für Sicherheit. Das US-amerikanische National Institute for Standardization and Technology (NIST) entwickelt Verschlüsselungsstandards, die auch gegenüber Quantencomputing bestehen. Das Ziel ist, bis Ende 2022 Standards festgelegt zu haben, die alle Tools bereitstellen, um sensible Informationen in der absehbaren Zukunft zu schützen. Hieraus wird sich voraussichtlich eine Auswahl aus gitterbasierten, multivariaten und codebasierten kryptografischen Algorithmen ergeben, um verschiedene Sicherheitsansätze abzudecken.12

Um Quantencomputing für wichtige Anwendungsfälle wie die Entwicklung von Batteriezellen oder die Optimierung von Verkehrsrouten nutzen zu können, wird es auf die Integration und Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Akteuren ankommen. „Von sicheren Identitäten bis zu CBDCs und allem, was vernetzt ist – es muss alles sicher sein, vor allem vor Bedrohungen, denen wir uns in zehn Jahren gegenübersehen“, so Christian Rathke. „Das ist die absolute Grundlage für eine Post-Quanten-Sicherheit im Bereich IoT: alles miteinander zu vernetzen und dafür zu sorgen, dass alles vollkommen quantensicher ist.“ Obwohl die Risiken des Quantencomputings also erheblich sind, überwiegen die unglaublichen Einsatzmöglichkeiten und Chancen.

  1. “IBM & Daimler use quantum computer to develop next-gen batteries,” IBM, 2020

  2. “Microsoft Quantum helps Case Western Reserve University advance MRI research,” Microsoft, 2018​​​​​​​

  3. “Inside big tech’s high-stakes race for quantum supremacy,” Wired, 2020​​​​​​​

  4. “Computing takes a quantum leap forward,” Google, 2019

  5. “IBM says Google may not have reached quantum sypremacy,” New Scientist, 2019

  6. “Rigetti to build UK’s first commercial quantum computer,” Financial Times, 2020

  7. “Quantum Flagship,” EU, 2021

  8. “Betamax versus VHS,” Quantum Computing Report, 2021

  9. “How quantum computing could change financial services,” McKinsey, 2020

  10. “Asymmetric cryptography,” Science Direct, 2020

  11. “Universal limitations on quantum key distribution over a network,” Cornell University, 2020

  12. “NIST’s Post-Quantum Cryptography Program,” NIST, 2020

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