Quantencomputer sorgen immer wieder für Aufsehen, sei es durch tatsächliche Durchbrüche oder vermeintliche Erfolge. Kürzlich veröffentlichte ein Forschungsteam von IBM eine Studie, in der die praktische Anwendbarkeit bestehender Quantencomputer diskutiert wurde. Die Forscher behaupten, die hohe Fehleranfälligkeit dieser Geräte genau erfassen und berücksichtigen zu können.
Neue Erkenntnisse lassen darauf schließen, dass Quantencomputer möglicherweise schon vor der Bewältigung ihres Fehlerproblems eingesetzt werden könnten. Doch sobald dieses Hindernis überwunden ist, könnten Quantencomputer ihr volles Potenzial entfalten. Um die möglichen Risiken zu verstehen, müssen wir zunächst das Prinzip des Quantencomputings und die Funktionsweise herkömmlicher Verschlüsselungen genauer betrachten.
1 und 0 werden zu 1 und 0 gleichzeitig
Ein herkömmliches Bit kann entweder den Wert 1 oder den Wert 0 haben, was die Grundlage unserer digitalen Technologie bildet. In der Quantenwelt gelten diese festen Regeln jedoch nicht mehr. Quantenobjekte können zwei Zustände gleichzeitig annehmen oder sich in einem undefinierten Zwischenzustand befinden. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist Schrödingers Katze, die sowohl tot als auch lebendig sein kann, bis sie beobachtet wird. Gleiches gilt für Quantenbits, deren Zustand erst durch Messung festgelegt wird.
Die einzigartige Eigenschaft der Quantenobjekte, die Superposition genannt wird, könnte die Lösung komplexer mathematischer Probleme erheblich beschleunigen oder sogar unlösbare Aufgaben bewältigen, die bisher als zeitlich unmöglich galten. Ein Beispiel ist der kanadische „Borealis“-Computer, der ein Problem in nur 36 Mikrosekunden gelöst haben soll, wofür ein herkömmlicher Supercomputer Tausende von Jahren benötigen würde. Schnellere Problemlösungen klingen zwar positiv, bergen jedoch auch Gefahren.
Kryptografie in Gefahr
Überlegene Quantencomputer könnten die heute allgegenwärtige asymmetrische Kryptografie im Internet und in der digitalen Welt angreifen. Dieses System basiert auf komplexen mathematischen Operationen, um den Zusammenhang zwischen privaten und öffentlichen Schlüsseln herzustellen, die schwer rückgängig zu machen sind. Derzeitige Verschlüsselungsmethoden verlassen sich darauf, dass herkömmliche Computer solche Berechnungen nicht in akzeptabler Zeit durchführen können. Doch mit Quantencomputern könnte sich dies ändern, was das Berechnen privater Schlüssel aus öffentlichen Schlüsseln ermöglichen würde.
Es existieren bereits spezielle Algorithmen, die für Quantencomputer entwickelt wurden. Sobald die entsprechende Hardware verfügbar ist, könnten beispielsweise Suchvorgänge erheblich beschleunigt werden. Der Grover-Algorithmus könnte die benötigte Rechenzeit für das Knacken einer AES-128-Verschlüsselung dramatisch reduzieren. Das Erhöhen der Schlüssellänge könnte vorübergehend Sicherheit bieten, aber es bedarf auch neuer Konzepte, falls noch leistungsstärkere Algorithmen für Quantencomputer entwickelt werden. Post-Quanten-Algorithmen, die bereits entwickelt werden, könnten zukünftig eine Lösung bieten, indem sie Probleme identifizieren, die auch für Quantencomputer zu komplex sind.
Eine reale Bedrohung
Die Sicherheit asymmetrischer Kryptografie betrifft heute nahezu jeden in Form von HTTPS-Verbindungen, Ende-zu-Ende-Verschlüsselung in Messengern wie WhatsApp und digitalen Dokumenten, die von der EU entwickelt werden. In Zukunft könnte diese Sicherheit bedroht sein, da kriminelle Akteure mit Zugang zu leistungsstarken Quantencomputern die bestehenden Algorithmen möglicherweise schnell brechen könnten. Das hätte zur Folge, dass verschlüsselter Datenverkehr abgehört, Nachrichten gelesen und digitale Dokumente gefälscht werden könnten. Selbst bereits bestehende digital signierte Verträge wären gefährdet.
Obwohl die Bedrohung noch hypothetisch ist, sollten wir sie nicht ignorieren. Die Entwicklung von Quantencomputern schreitet voran, und irgendwann werden sie in den praktischen Einsatz kommen. IT-Sicherheitsanbieter und Vertrauensdienste müssen daher bereits heute ihre Hardware und Software so gestalten, dass sie zukünftig neue, quantensichere Algorithmen integrieren können. Die US-amerikanische Normungsbehörde NIST hat bereits erste Algorithmenkandidaten für eine Post-Quanten-Kryptografie veröffentlicht, die jedoch noch auf ihre Stärke getestet werden müssen. Das Rennen um die Sicherheit ist bereits eröffnet.