Wie genau bedrohen Quantencomputer die heutige Kryptographie und was ist Post-Quanten-Kryptographie?
Die Bedrohung unserer digitalen Infrastruktur durch Quantencomputer ist kein Science-Fiction-Szenario, sondern ein konkretes mathematisches Problem. Es betrifft das Herzstück unserer heutigen sicheren Kommunikation im Internet: die asymmetrische Verschlüsselung.
Das Fundament unserer Sicherheit
Wenn Sie heute Online-Banking nutzen, eine WhatsApp-Nachricht senden oder eine sichere Website (HTTPS) aufrufen, kommen asymmetrische Verschlüsselungsverfahren wie RSA oder ECC (Elliptic Curve Cryptography) zum Einsatz.
Diese Verfahren basieren auf mathematischen „Einwegfunktionen“. Das bedeutet, sie sind in eine Richtung sehr einfach zu berechnen, aber in die andere Richtung extrem schwer umzukehren. Bei RSA ist dies die Primfaktorzerlegung: Es ist für einen Computer kinderleicht, zwei riesige Primzahlen miteinander zu multiplizieren. Es würde einen klassischen Supercomputer jedoch Millionen von Jahren kosten, aus dem riesigen Ergebnis wieder die beiden ursprünglichen Primzahlen (den „privaten Schlüssel“) zu errechnen.
Der Shor-Algorithmus als „Dietrich“
Genau hier greifen Quantencomputer an. Im Jahr 1994 entwickelte der Mathematiker Peter Shor den sogenannten Shor-Algorithmus.
Während ein klassischer Computer alle möglichen Primfaktoren mühsam nacheinander durchprobieren muss, nutzt der Shor-Algorithmus die quantenmechanischen Effekte der Superposition und Interferenz. Er kann verborgene Periodizitäten und Muster in großen Zahlenräumen in extrem kurzer Zeit (exponentiell schneller) finden. Ein ausreichend starker, fehlertoleranter Quantencomputer könnte mit diesem Algorithmus die mathematischen Schlösser von RSA und ECC nicht in Jahrtausenden, sondern in Stunden oder Minuten knacken.
Die unmittelbare Gefahr: „Store Now, Decrypt Later“
Obwohl Quantencomputer, die stark genug für den Shor-Algorithmus sind, (noch) nicht existieren, ist die Bedrohung bereits heute akut. Geheimdienste und Kriminelle wenden zunehmend die Strategie „Store Now, Decrypt Later“ (SNDL) an:
- Sie fangen heute stark verschlüsselte, aber hochsensible Daten ab (z. B. Staatsgeheimnisse, Gesundheitsdaten, Firmengeheimnisse).
- Sie speichern diese Daten ab.
- Sobald in 10 oder 15 Jahren leistungsfähige Quantencomputer zur Verfügung stehen, werden sie die Daten nachträglich entschlüsseln.
Die Verteidigung: Post-Quanten-Kryptographie (PQC)
Um diese Zeitbombe zu entschärfen, hat die Wissenschaft die Post-Quanten-Kryptographie (PQC) entwickelt.
Der Name ist oft etwas irreführend: Es handelt sich dabei nicht um Verschlüsselung, die auf Quantencomputern läuft. PQC sind vielmehr neue kryptographische Algorithmen, die auf unseren heutigen, klassischen Computern und Smartphones laufen, aber mathematisch so konstruiert sind, dass auch ein zukünftiger Quantencomputer sie nicht knacken kann.
Die neuen PQC-Verfahren basieren auf völlig anderen mathematischen Problemen, bei denen der Shor-Algorithmus nutzlos ist:
- Gitterbasierte Kryptographie: Die Sicherheit basiert auf der extremen Schwierigkeit, den kürzesten Vektor in einem hochdimensionalen mathematischen Gitter zu finden.
- Hash-basierte Signaturen: Sie nutzen komplexe, mehrstufige Hash-Funktionen, die als quantensicher gelten.
- Code-basierte Kryptographie: Sie basiert auf der Schwierigkeit, Fehler in bestimmten fehlerkorrigierenden Codes zu decodieren.
Das amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) hat nach einem jahrelangen Auswahlverfahren im Sommer 2024 die ersten finalen Standards für diese PQC-Algorithmen veröffentlicht. Der globale Wettlauf besteht nun darin, alle IT-Systeme weltweit auf diese neuen, quantensicheren Standards zu migrieren, bevor der erste Quantencomputer das Licht der Welt erblickt.
