Ihr „neuester“ Leitfaden zur PQC-Bereitschaft

Das NIST startete 2016 das Projekt „Post-Quanten-Kryptographie“ und rief Kryptographieexperten weltweit dazu auf, Algorithmen einzureichen, die sowohl gegen klassische als auch gegen Quantenangriffe resistent sind. Bis zum Einsendeschluss wurden 69 Algorithmen eingereicht und zur öffentlichen Bewertung freigegeben. Heute hat das NIST die ersten fünf quantensicheren Algorithmen veröffentlicht.

Wie wichtig die Nutzung der ausgewählten NIST-Algorithmen ist, verdeutlicht Dustin Moody mit seinen Worten: „Wir müssen nicht auf zukünftige Standards warten“, sagte er. „Nutzen Sie diese drei einfach. Wir müssen auf einen Angriff vorbereitet sein, der die Algorithmen dieser drei Standards überwindet, und wir werden weiterhin an Backup-Plänen arbeiten, um unsere Daten zu schützen. Für die meisten Anwendungen sind diese neuen Standards jedoch das Wichtigste.“ 

Auch wenn wir heute noch keine leistungsstarken Quantencomputer besitzen, ist es wichtig, jetzt mit der Entwicklung von Post-Quanten-Verschlüsselung zu beginnen. Der Grund dafür ist, dass die weltweite Umstellung von Verschlüsselungstechnologien viel Zeit in Anspruch nimmt, oft 10 bis 20 Jahre . Unternehmen benötigen diese Zeit, um ihre Systeme zu aktualisieren und sicherzustellen, dass alles mit den neuen Verschlüsselungsmethoden reibungslos funktioniert. Warten wir, bis Quantencomputer einsatzbereit sind, könnte es zu spät sein, unsere sensiblen Daten zu schützen.

Ein Hoch auf den Fortschritt! NIST stellt den fünften quantensicheren Algorithmus fertig

Am 11. März 2025 gab das Nationale Institut für Standards und Technologie (NIST) die Auswahl von HQC (Hamming Quasi-Cyclic) als neuesten Zusatzstandard in seiner Reihe von Post-Quanten-Kryptographie-Standards (PQC) bekannt. Diese Entscheidung unterstreicht das Engagement des NIST für die Verbesserung der Cybersicherheitsmaßnahmen gegen die neuen Bedrohungen durch Quantencomputer.

HQC soll ML-KEM nicht ersetzen, das weiterhin die empfohlene Wahl für die allgemeine Verschlüsselung bleibt, sagte Dustin Moody, ein Mathematiker, der das Post-Quantum Cryptography-Projekt des NIST leitet. 

„Unternehmen sollten ihre Verschlüsselungssysteme weiterhin auf die Standards migrieren, die wir 2024 finalisieren“, sagte er. „Wir geben die Auswahl von HQC bekannt, weil wir einen Backup-Standard wünschen, der auf einem anderen mathematischen Ansatz als ML-KEM basiert. Da wir unser Verständnis zukünftiger Quantencomputer verbessern und uns an neue Kryptoanalysetechniken anpassen, ist es wichtig, eine Rückfallebene zu haben, falls sich ML-KEM als anfällig erweist.“

Warum wurde HQC nach der vierten Runde ausgewählt? HQC wurde nach der vierten Runde der NIST-Evaluierung als fünfter Post-Quanten-Kryptografie-Standard (PQC) ausgewählt. Obwohl die Kapselungsschlüssel etwa 41–47 % größer sind als die von BIKE und die Chiffretexte etwa dreimal so groß, legte NIST Wert auf Faktoren, die über die reine Schlüssel- und Chiffretextgröße hinausgehen.

Lassen Sie uns die PQC-Algorithmen im Detail verstehen:

NIST-Standards und -Richtlinien für Post-Quantum-Kryptografiealgorithmen

Die NIST Special Publication (SP) 800-131A , IR 8457 und IR 8454 enthalten eine Reihe von Regeln des NIST, die US-Regierungsbehörden dabei helfen zu entscheiden, welche kryptografischen Methoden (Algorithmen und Schlüssellängen) sicher zum Schutz sensibler, aber nicht klassifizierter Informationen verwendet werden können.

Das bedeutet, dass Organisationen einen Schritt-für-Schritt-Plan für Folgendes erhalten:

• Welche Verschlüsselungsmethoden nicht mehr sicher sind
• Wann sollten sie auf neue, quantenresistente Algorithmen umsteigen?
• So gelingt der Übergang reibungslos und ohne Sicherheitsrisiken

Da Quantencomputer die heutige Verschlüsselung irgendwann knacken werden, arbeitet NIST an neuen quantenresistenten Algorithmen. Im Rahmen dieser Umstellung wird NIST SP 800-131A mit klaren Richtlinien aktualisieren, wann und wie auf diese neuen Algorithmen umgestellt werden soll.

NIST verwendet traditionell Sicherheitsstärken in Bitlängen (wie 128 Bit, 192 Bit und 256 Bit), um zu beschreiben, wie sicher ein Algorithmus gegen klassische Angriffe ist. Bei der Post-Quanten-Kryptografie (PQC) wird die Sicherheit jedoch in breiteren Kategorien statt in festen Bitlängen gemessen.

Jede Sicherheitskategorie basiert auf einem Referenzprimitiv, einer allgemein bekannten kryptografischen Funktion, die als Grundlage für die Bewertung der Widerstandsfähigkeit eines Algorithmus gegenüber verschiedenen Angriffsmethoden dient. Anstatt sich nur auf Bitlängen zu konzentrieren, bieten diese Kategorien eine praktischere und flexiblere Möglichkeit, die Sicherheit gegen Quantenbedrohungen zu messen. Die folgenden Tabellen im Dokument bieten eine Aufschlüsselung der anfälligen Algorithmen, die Unternehmen derzeit in ihrer kryptografischen Infrastruktur erkennen könnten, und zeigen, welche quantensicheren Algorithmen zum Einsatz kommen würden. Sie zeigen, wie diese im Vergleich zu herkömmlichen Sicherheitsstärken abschneiden.

Post-Quanten-Algorithmen für digitale Signaturen

Ob jemand glaubt, dass Quantencomputer leistungsfähig genug sind, um Verschlüsselungen zu knacken, ist in zehn oder hundert Jahren nicht möglich. Wenn Chiffren veraltet sind, werden sie zu einem Problem für alle und müssen ersetzt werden.

Die folgende Tabelle hebt die Algorithmen hervor, die auf quantenresistente Alternativen umgestellt werden müssen, um langfristige Sicherheit zu gewährleisten.

Algorithmus für digitale Signaturen	Parameter	Übergang
ECDSA [FIPS186]	≥ 128 Bit Sicherheitsstärke	Nach 2035 nicht mehr zulässig
EdDSA [FIPS186]	≥ 128 Bit Sicherheitsstärke	Nach 2035 nicht mehr zulässig
RSA [FIPS 186]	≥ 128 Bit Sicherheitsstärke	Nach 2035 nicht mehr zulässig

Organisationen können diese Algorithmen und Parametersätze weiterhin verwenden, während sie zu den in der folgenden Tabelle aufgeführten Post-Quanten-Signaturen migrieren.

Algorithmus für digitale Signaturen	Parametersätze	Sicherheitsstärke	Sicherheitskategorie	Größe des privaten Schlüssels (Bytes)	Größe des öffentlichen Schlüssels (Bytes)
ML-DSA [FIPS204]	ML-DSA-44	128 Bits	2	2560	1312
	ML-DSA-65	192 Bits	3	4032	1952
	ML-DSA-87	256 Bits	5	4896	2592
SLH-DSA [FIPS205]	SLH-DSA-SHA2-128[s/f]	128 Bits	1	64	32
	SLH-DSA-SHAKE-128[s/f]
	SLH-DSA-SHA2-192[s/f]	192 Bits	3	96	48
	SLH-DSA-SHAKE-192[s/f]
	SLH-DSA-SHA2-256[s/f]	256 Bits	5	128	64
	SLH-DSA-SHAKE-256[s/f]
LMS, HSS [SP800208]	Mit SHA-256/192	192 Bits	3	64	60
	Mit SHAKE256/192		3
	Mit SHA-256	256 Bits	5
	Mit SHAKE256		5
XMSS, XMSSMT [SP800208]	Mit SHA-256/192 Mit SHAKE256/192	192 Bits	3	1373	64

Schlüsselkapselungsmechanismus

Die folgende Tabelle hebt die Algorithmen hervor, die auf quantenresistente Alternativen umgestellt werden müssen, um langfristige Sicherheit zu gewährleisten.

Algorithmus für digitale Signaturen	Parameter	Übergang
Finite-Feld-DH und MQV [SP80056A]	≥ 128 Bit Sicherheitsstärke	Nach 2035 nicht mehr zulässig
Elliptische Kurve DH und MQC [SP80056A]	≥ 128 Bit Sicherheitsstärke	Nach 2035 nicht mehr zulässig
RSA [SP80056B]	≥ 128 Bit Sicherheitsstärke	Nach 2035 nicht mehr zulässig

Hier sind die Post-Quanten-Algorithmen, einschließlich ML-KEM und HQC

Algorithmus für digitale Signaturen	Parametersätze	Sicherheitsstärke	Sicherheitskategorie	Größe des privaten Schlüssels (Bytes)	Größe des öffentlichen Schlüssels
ML-KEM [FIPS203]	ML-KEM-512	128 Bits	1	1632	800
	ML-KEM-768	192 Bits	3	2400	1184
	ML-KEM-1024	256 Bits	5	3162	1568
Hauptquartier [NIST IR45]	HQC-128	128 Bits	1	2249	40
	HQC-192	192 Bits	3	4522	40
	HQC-256	256 Bits	5	7245	40

Das NIST kam zu dem Schluss, dass HQC eine gute Ergänzung zu ML-KEM darstellt, da es auf einem anderen zugrunde liegenden Sicherheitsproblem basiert und dennoch für allgemeine Anwendungen angemessene Leistungsmerkmale aufweist. Der einzige weitere Kandidat der vierten Runde, der diesen Zweck potenziell erfüllen könnte, war BIKE, das auf ähnlichen codebasierten Annahmen wie HQC beruht. Im Vergleich zu BIKE weist HQC größere öffentliche Schlüssel und Chiffretexte auf, bietet aber eine kostengünstigere Schlüsselerzeugung und -entschlüsselung.

Bitte beachten Sie, dass NIST plant, in etwa einem Jahr einen Standardentwurf herauszugeben, der den HQC-Algorithmus enthält. Ein endgültiger Standard wird für 2027 erwartet.

Roadmap zur Quantenbereitschaft

Aktuell nutzen die meisten kritischen Assets, Systeme und Anwendungen in Unternehmen kryptografische Verfahren wie RSA und ECC zur Sicherung digitaler Signaturen, Software-Updates und zum Datenschutz. Sobald Quantencomputer jedoch leistungsstark genug sind, werden sie diese kryptografischen Algorithmen knacken können. Daher müssen Unternehmen diese anfälligen kryptografischen Verfahren identifizieren und durch Post-Quanten-Kryptografie (PQC) ersetzen.

Warum ist die Quantum-Readiness-Roadmap wichtig?

Unternehmen sind sich möglicherweise nicht einmal bewusst, wo in ihren Systemen, Anwendungen und Lieferketten Public-Key-Kryptografie zum Einsatz kommt. Ohne eine Liste (Inventar) der anfälligen Systeme wissen sie nicht, wo sie mit der Migration zu PQC beginnen sollen.

Um dieses Problem zu beheben, müssen Unternehmen:

• Kryptografische Erkennung: Identifizieren Sie Systeme und Anwendungen, die auf quantenanfälliger Kryptografie basieren.
• Kryptografisches Inventar: Sprechen Sie mit den Anbietern, um zu erfahren, wo in den von ihnen gekauften Produkten Verschlüsselung verwendet wird.
• Datenklassifizierung: Priorisieren Sie die Systeme, die dringend aktualisiert werden müssen, basierend auf ihrer Wichtigkeit und ihrem Risiko.

Lassen Sie uns nun jeden Schritt im Detail besprechen:

Kryptographische Entdeckung

Kryptografische Entdeckung ist der Prozess, herauszufinden, wo und wie Kryptografie in den IT- und OT-Systemen (Operational Technology) eines Unternehmens eingesetzt wird. Unternehmen können automatisierte Tools verwenden, um nach quantenanfälligen Algorithmen zu suchen:

• Netzwerkprotokolle (um zu prüfen, ob verschlüsselte Kommunikation gefährdet ist).
• Anwendungen und Software (um zu überprüfen, ob Software-Updates eine schwache Verschlüsselung verwenden).
• Entwicklungspipelines (um kryptografische Abhängigkeiten in der Codebasis zu finden).

Allerdings können einige Kryptografien in Produkten versteckt sein und so schwer zu erkennen sein. In solchen Fällen sollten Unternehmen die Anbieter um Einzelheiten bitten.

Kryptografisches Inventar

Ein kryptografisches Inventar ist eine Liste aller quantenanfälligen kryptografischen Ressourcen einer Organisation. Es sollte Folgendes enthalten:

• Wo werden kryptografische Algorithmen verwendet?
• Welche Art von Daten schützen sie?
• Wie lange müssen die Daten sicher bleiben (z. B. müssen sensible Regierungsdaten möglicherweise jahrzehntelang geschützt werden)?
• Welche Systeme, Protokolle und Dienste basieren auf diesen kryptografischen Schutzmaßnahmen?

Diese Bestandsaufnahme hilft Unternehmen bei der Planung eines reibungslosen Übergangs zu PQC, indem sie Risiken identifiziert und angeht, bevor Quantencomputer zu einer echten Bedrohung werden.

Datenklassifizierung im Quantenzeitalter

Datenklassifizierung bedeutet, Daten anhand ihrer Sensibilität und Kritikalität zu kategorisieren. Um die Quantentauglichkeit zu gewährleisten, sollten Unternehmen:

• Identifizieren Sie sensible Daten mit hohem Risiko, die bei einer späteren Entschlüsselung Schaden anrichten könnten.
• Kategorisieren Sie Daten basierend auf Sicherheitsanforderungen und der Dauer, die sie geschützt bleiben müssen.
• Ordnen Sie das kryptografische Inventar vorhandenen Asset-Management-Systemen zu (wie Identitäts- und Zugriffsverwaltung, Endpunkterkennung usw.).

Auf diese Weise können Unternehmen Prioritäten setzen, wo die PQC-Migration zuerst erfolgen muss.

Hybridansatz – Brücke zwischen klassischer und Post-Quanten-Kryptographie

PQC-klassische Hybridprotokolle sind kryptografische Übergangslösungen, die sowohl quantenresistente als auch traditionelle (quantenanfällige) kryptografische Algorithmen zusammen bei der Schlüsselerstellung oder digitalen Signatur verwenden.

Diese Hybridlösungen sind in der Regel so konzipiert, dass sie sicher bleiben, wenn mindestens einer der Komponentenalgorithmen sicher ist. 

Vereinfacht ausgedrückt: Herkömmliche Schlösser (klassische Kryptografie) können mit der Zeit an Sicherheit verlieren. Daher könnten Sie sich zusätzlich für die Installation intelligenter Schlösser (Post-Quanten-Kryptografie – PQC) entscheiden. Allerdings sind noch nicht alle Türen und Benutzer für intelligente Schlösser bereit. Daher ist es am besten, vorerst beide Schlösser gemeinsam zu verwenden, um sicherzustellen, dass bei einem Ausfall des einen Schlosses das andere weiterhin Sicherheit bietet.

Genau das leisten hybride kryptografische Protokolle beim Übergang zur Post-Quanten-Kryptografie (PQC). Sie kombinieren quantenresistente und quantenanfällige Algorithmen bei der Erzeugung digitaler Signaturen oder der Festlegung von Verschlüsselungsschlüsseln.

Hybride Schlüsselfestlegungstechniken

Zwei verschiedene Methoden zur Schlüsselerstellung arbeiten zusammen und der endgültige Schlüssel ist sicher, solange mindestens eine Methode stark bleibt.

• Teil 1 wird mit einer klassischen Methode erstellt, die in Zukunft an Schwächen verlieren könnte (ECDH)
• Teil 2 wird mit PQC generiert und ist quantensicher (ML-KEM).

Hybride digitale Signaturtechniken

Eine hybride digitale Signatur (auch zusammengesetzte Signatur genannt) ist eine kryptografische Technik, bei der zwei oder mehr digitale Signaturen auf eine einzelne Nachricht angewendet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass für die Überprüfung der Nachricht alle Signaturen erfolgreich validiert werden müssen.

• Teil 1: Ein klassischer digitaler Signaturalgorithmus (z. B. RSA oder ECDSA).
• Teil 2: Ein postquantenbasierter digitaler Signaturalgorithmus (z. B. ML-KEM).

Eine aktuelle TLS-Verschlüsselungssuite, wie beispielsweise TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 , könnte bei der Weiterentwicklung zu einer Post-Quanten-Verschlüsselung etwa so aussehen: TLS_KYBER_DILITHIUM_WITH_AES_256_GCM_SHA384.

Wichtige Anwendungsfälle, die von der Post-Quanten-Kryptografie (PQC) betroffen sein werden

Post-Quanten-Kryptografie (PQC) wird sich schrittweise auf verschiedene Anwendungsfälle auswirken, die auf asymmetrischer Kryptografie basieren, da Quantenbedrohungen direkt auf die Public-Key-Kryptografie abzielen. Die Vorbereitung auf das Quantenzeitalter beginnt mit der Analyse, welche Systeme und Prozesse von PQC betroffen sein werden. Dazu gehört die Identifizierung und Definition der betroffenen Anwendungsfälle, wie die folgenden Beispiele zeigen:

Codesignatur

Zweck: Digitale Signatur von Software zur Überprüfung ihrer Authentizität und zur Verhinderung von Manipulationen.

Warum das wichtig ist: Geräte, die Software installieren und ausführen, müssen diese Signaturen überprüfen.

Quantenrisiko: Wenn Geräte über einen längeren Zeitraum im Einsatz bleiben und ihre Signaturverifizierungssysteme nicht aktualisiert werden können, müssen sie jetzt so konzipiert werden, dass sie quantenresistente Signaturen unterstützen, um die langfristige Sicherheit zu gewährleisten.

Benutzer- und Maschinenauthentifizierung

Zweck: Überprüfung von Identitäten zur Kontrolle des Systemzugriffs mittels asymmetrischer kryptografischer Protokolle.

Quantenrisiko: Im Gegensatz zur Verschlüsselung (die der Bedrohung „jetzt sammeln, später entschlüsseln“ ausgesetzt ist) sind Authentifizierungssysteme sicher, solange Quantencomputer die aktuellen Algorithmen nicht knacken können.

Handlungsbedarf: Organisationen müssen ihre Systeme, PKI und Hardware-Tokens aufrüsten, um eine quantenresistente Authentifizierung zu unterstützen, bevor Quantencomputer verfügbar sind.

Netzwerksicherheitsprotokolle

Zweck: Sichere Datenübertragung über Protokolle wie TLS und VPNs unter Verwendung asymmetrischer Kryptographie.

Quantenrisiko: Die Schlüsselerzeugung (Verschlüsselungsschlüssel) ist anfällig für das Prinzip „Erfassen und späteres Entschlüsseln“. Die Authentifizierung (Identitätsverifizierungsschlüssel) kann später umgestellt werden, wird aber letztendlich quantenresistente Alternativen benötigen.

Nächste Schritte: Organisationen benötigen einen strategischen Migrationsplan, um Netzwerkprotokolle gegen Quantenbedrohungen abzusichern.

Signieren und Verschlüsseln von E-Mails und Dokumenten

Zweck: E-Mail-Verschlüsselung (S/MIME), verschlüsselt E-Mails und Dateien für eine sichere Übertragung und gewährleistet so die Integrität und Authentizität der digitalen Kommunikation.

Quantenrisiko: Die E-Mail-Verschlüsselung ist anfällig für das Prinzip „jetzt abfangen, später entschlüsseln“. Das bedeutet, dass Angreifer verschlüsselte E-Mails heute speichern und sie entschlüsseln könnten, sobald Quantencomputer verfügbar sind.

Handlungsbedarf: Organisationen sollten ihre Verschlüsselungs- und Signaturmechanismen so schnell wie möglich auf quantensichere Alternativen umstellen .

Der Weg zum Q-Day!

Laut National Security Memorandum 10 (NSM-10) will die US-Regierung den Umstieg auf quantenresistente Kryptografie bis 2035 abschließen. Dieser Übergang ist notwendig, da Quantencomputer aktuelle Verschlüsselungsmethoden knacken könnten.

Allerdings werden nicht alle Systeme gleichzeitig auf PQC umgestellt. Einige, insbesondere solche, die langfristig vertrauliche Daten verarbeiten, müssen möglicherweise früher umgestellt werden. Andere können aufgrund technischer Einschränkungen länger dauern. NIST ist sich dieser Herausforderungen bewusst und wird Organisationen bei dieser Umstellung unterstützen und gleichzeitig sicherstellen, dass kritische Systeme geschützt bleiben.

Dieser Zeitplan ist zwar nur eine Prognose, doch Fortschritte im Quantencomputing könnten ihn beschleunigen. Vorbereitung ist entscheidend. Unternehmen müssen heute mit der Umstellung auf quantensichere Kryptografie beginnen, um der Bedrohung einen Schritt voraus zu sein.

• 2024-2026: Regulierungsbehörden wie NIST werden die ersten Quantenresistente Algorithmen. Bald darauf werden zertifizierte kryptografische Bibliotheken mit der Implementierung beginnen.
• 2027-2029: Ein großes Branchenschub wird stattfinden, wenn die Anbieter beginnen, NIST-geprüfte Algorithmen in ihre Produkte und Sicherheitsprotokolle zu integrieren. Globale Standardisierungsgremien werden diesem Beispiel folgen.
• 2030-2033: Der Q-Day ist da– Experten sagen voraus, dass kryptografisch relevante Quantencomputer (CRQCs) in der Lage sein werden, die heutige Verschlüsselung zu knacken, was die Post-Quanten-Kryptografie (PQC) zu einer Notwendigkeit macht.

Wie kann die PQC-Beratung von Encryption Consulting helfen?

• Validierung von Umfang und Ansatz: Wir bewerten die aktuelle Verschlüsselungsumgebung Ihres Unternehmens und validieren den Umfang Ihrer PQC-Implementierung, um die Übereinstimmung mit den Best Practices der Branche sicherzustellen.
• Entwicklung des PQC-Programmrahmens: Unser Team entwirft ein maßgeschneidertes PQC-Framework, einschließlich Prognosen für externe Berater und interne Ressourcen, die für eine erfolgreiche Migration erforderlich sind.
• Umfassende Bewertung: Wir führen eingehende Bewertungen Ihrer lokalen, Cloud- und SaaS-Umgebungen durch, identifizieren Schwachstellen und geben strategische Empfehlungen zur Minderung von Quantenrisiken.
• Implementierungsunterstützung: Von Programmmanagementschätzungen bis hin zur internen Teamschulung bieten wir das nötige Fachwissen, um einen reibungslosen und effizienten Übergang zu quantenresistenten Algorithmen zu gewährleisten.
• Compliance und Validierung nach der Implementierung: Wir helfen Unternehmen dabei, ihre PQC-Einführung an neue regulatorische Standards anzupassen und führen nach der Bereitstellung eine strenge Validierung durch, um die Wirksamkeit der Implementierung zu bestätigen.

Fazit

Der Übergang zur Post-Quanten-Kryptografie ist keine ferne Überlegung mehr – er ist ein notwendiger Schritt, um in einer sich schnell entwickelnden Technologielandschaft langfristige Datensicherheit zu gewährleisten. Da NIST den fünften PQC-Algorithmus finalisiert, müssen Unternehmen proaktiv Maßnahmen ergreifen, um quantenresistente kryptografische Standards einzuführen. Ob es um die Sicherung sensibler Kommunikation, den Schutz von Finanztransaktionen oder die Gewährleistung der Authentizität digitaler Signaturen geht – jetzt ist es an der Zeit, sich vorzubereiten. Angesichts der zunehmenden Bedrohungen durch Quanten sind diejenigen, die frühzeitig handeln, am besten in der Lage, ihre kritischen Systeme vor zukünftigen kryptografischen Schwachstellen zu schützen.