Quantencomputing ist ein Forschungsgebiet, das sich mit der Entwicklung computergestützter Technologien auf Grundlage der Prinzipien der Quantentheorie beschäftigt. Zur Durchführung spezifischer Rechenaufgaben nutzt Quantencomputing eine Kombination von Bits. Dies geschieht mit einer deutlich höheren Effizienz als bei herkömmlichen Verfahren. Die Entwicklung von Quantencomputern stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Rechenleistung dar und ermöglicht enorme Leistungssteigerungen für bestimmte Anwendungsfälle.
Quantenbits, auch Qubits genannt, können gleichzeitig den Zustand 1 und 0 annehmen, was wiederum einen Großteil der Rechenleistung des Quantencomputers ausmacht. Dadurch könnte ein voll funktionsfähiger Quantencomputer die meisten klassischen Verschlüsselungsalgorithmen innerhalb von Tagen, in manchen Fällen sogar Stunden, knacken.
Quantensichere Kryptographie
Post-Quanten- Kryptographie , auch bekannt als quantensichere Kryptographie, bezeichnet Forschungsbemühungen zur Identifizierung kryptographischer Primitiven, die gegen Angriffe von klassischen und Quantencomputern resistent sind. Das übergeordnete Ziel dieser Bemühungen ist die Entwicklung kryptographischer Algorithmen, die weder durch konventionelle noch durch Quantencomputer angreifbar sind und somit eine robuste Sicherheit von Informationsbeständen in der Post-Quanten-Welt gewährleisten.
Es ist allgemein bekannt, dass ohne quantensichere Kryptografie gravierende Sicherheitsprobleme entstehen. So könnten beispielsweise über öffentliche Kanäle übertragene Informationen abgehört werden, und verschlüsselte Daten könnten – angesichts der Rechenleistung von Quantencomputern – zur späteren Entschlüsselung gespeichert werden . Die Bedrohungen durch Quantencomputer betreffen verschiedene Sektoren wie das Finanz- und Gesundheitswesen, da sich aus kryptografischen Schwachstellen erhebliche finanzielle Vorteile ergeben können.
Die meisten kryptografischen Hash-Funktionen (wie SHA2, SHA3, BLAKE2), MAC-Algorithmen (wie HMAC und CMAK) und Schlüsselerzeugungsfunktionen (bcrypt, Scrypt, Argon2) sind grundsätzlich quantensicher und werden durch Quantencomputer nur geringfügig beeinflusst. Symmetrische Verschlüsselungsverfahren wie AES-256 und Twofish-256 gelten ebenfalls als quantensicher. In diesem Fall wird eine Schlüssellänge von mindestens 256 Bit empfohlen.
Allerdings ist das weit verbreitete Public-Key-Kryptosystem, zu dem RSA , DSA, ECDSA , EdDSA, DHKE, ECDH und ElGamal gehören , quantenmechanisch angreifbar.
Die folgende Tabelle vergleicht die effektive Schlüsselstärke einiger häufig verwendeter kryptografischer Algorithmen in klassischen und Quantencomputern.
| Algorithmus | Schlüssellänge | Effektive Tastenstärke | |
|---|---|---|---|
| Klassischer Computer | Quantencomputer | ||
| RSA-1024 | 1024-Bits | 80-Bits | 0-Bits |
| RSA-2048 | 2048-Bits | 112-Bits | 0-Bits |
| ECC-256 | 256-Bits | 128-Bits | 0-Bits |
| ECC-384 | 384-Bits | 256-Bits | 0-Bits |
| AES-128 | 128-Bits | 128-Bits | 64-Bits |
| AES-256 | 256-Bits | 256-Bits | 128-Bits |
Fortschritte in der quantensicheren Kryptographie
Die Entwicklung eines einzigen quantensicheren Algorithmus, der für alle Anwendungen geeignet ist, erscheint unwahrscheinlich. Bislang wurden zwar zahlreiche Algorithmen vorgeschlagen, doch zeigen sich im Vergleich zur herkömmlichen Public-Key-Kryptographie große Unterschiede in ihren Leistungseigenschaften , da quantensichere Algorithmen größere Schlüssellängen verwenden und daher eine höhere Netzwerkbandbreite benötigen.
Das Nationale Institut für Standards und Technologie (NIST) hat ein Verfahren zur Standardisierung quantensicherer Algorithmen für Schlüsselaustausch und digitale Signaturen eingeleitet. Seit 2016 arbeitet das Institut an der Entwicklung quantensicherer Algorithmen, die den Bedrohungen durch Quantencomputer widerstehen können. Die Auswahl an Kandidatenalgorithmen wurde eingegrenzt, und die Veröffentlichung von Normenentwürfen wird für den Zeitraum 2022–24 erwartet.
Migration zur quantensicheren Kryptografie
Die Umstellung auf neue Kryptografie ist kompliziert und wird viel Zeit und Geld kosten. Glücklicherweise haben Organisationen noch etwas Zeit, bis Quantencomputer in großem Maßstab eingesetzt werden. Laut NCSC sollten Organisationen, die ihre eigene kryptografische Infrastruktur verwalten, die quantensichere Umstellung in ihre langfristigen Pläne einbeziehen und Untersuchungen durchführen, um herauszufinden, welche ihrer Systeme für die Umstellung höchste Priorität haben.
Prioritäre Systeme könnten solche sein, die sensible personenbezogene Daten verarbeiten, oder jene Teile der Public-Key-Infrastruktur , deren Zertifikate erst in ferner Zukunft ablaufen und die am schwierigsten zu ersetzen wären. Krypto-Agilität könnte hier für Unternehmen beim Übergang zu quantensicherer Kryptografie eine Schlüsselrolle spielen, da sie die Fähigkeit eines Sicherheitssystems beschreibt, zwischen Algorithmen und kryptografischen Primitiven zu wechseln, ohne die übrige Infrastruktur zu beeinträchtigen. Es ist wichtig, dass Unternehmensleiter jetzt mit der Planung für einen reibungslosen Übergang zu quantenresistenter Sicherheit beginnen.
Fazit
Wir müssen anerkennen, dass Quantencomputing tatsächlich eine ernsthafte Bedrohung für herkömmliche Informationssicherheitssysteme darstellt. Organisationen wird empfohlen, einen robusten und sicheren Übergang zu quantensicherer Kryptografie zu planen, um potenziellen Quantenbedrohungen entgegenzuwirken. Es ist ratsam, bewährte Sicherheitspraktiken anzuwenden, bis NIST-Standards für Quantensicherheit verfügbar sind.
