Wie kann man einen Computer überlisten, der schon bald alles in den Schatten stellen könnte, was wir je gebaut haben? Das ist die Herausforderung, vor der Forscher stehen, die daran arbeiten, unsere Verteidigung gegen das kommende Zeitalter des Quantencomputers aufzubauen.

Quantencomputer versprechen einen riesigen Sprung in der Rechenleistung, aber sie bringen auch Risiken mit sich. Ihre Fähigkeiten, Codes zu knacken, könnten Regierungen oder Kriminelle in die Lage versetzen, Online-Kommunikation abzuhören und sensible Daten zu stehlen. Diese Bedrohung ist nicht weit entfernt.

Laut Professor Marcos Curty, einem führenden Experten auf dem Gebiet der Quantenkommunikation und -kryptographie, besteht eine begründete Wahrscheinlichkeit, dass die ersten solchen Computer innerhalb der nächsten 10 bis 15 Jahre eingeschaltet werden könnten. Wir müssen jetzt mit den Vorbereitungen beginnen.

„Wir wollen sicher sein, dass Nachrichten weiterhin sicher versendet werden können, ohne dass jemand auf diese Informationen zugreifen kann, entweder jetzt oder in naher Zukunft“, sagte er.

Training für morgen

Curty ist Professor für Nachrichtentechnik an der Universität von Vigo in Spanien und wissenschaftlicher Leiter des dort ansässigen Vigo Quantum Communication Center (VQCC).

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Wir möchten sicherstellen, dass Nachrichten weiterhin sicher versendet werden können, ohne dass jemand auf diese Informationen zugreifen kann.

Das von der EU mitfinanzierte VQCC wurde offiziell im Januar 2022 eröffnet. Es ist ein wichtiger Knotenpunkt in der europäischen Quantenkommunikationsinfrastruktur – dem Vorzeigeprojekt der EU zum Aufbau einer sicheren Quantenkommunikationsinfrastruktur in ganz Europa.

Das Ziel ist es, Vigo zu einem internationalen Zentrum für quantensichere Kommunikation zu machen. Im Einklang mit diesem Ziel koordiniert Curty ein von der EU finanziertes Ausbildungsnetzwerk namens Quantum-Safe Internet (QSI), um quantenresistente Kryptographie und Technologien zur Verteilung von Quantenschlüsseln zu entwickeln.

Das Netzwerk, das Forscher aus fünf EU-Ländern sowie aus Kanada, Japan, der Schweiz, dem Vereinigten Königreich und den USA zusammenbringt, will junge Kryptographen für die Herausforderungen der Quantencomputerwelt ausbilden.

Die Uhr tickt

Quantencomputer mögen noch ein paar Jahre entfernt sein, aber die Risiken sind bereits vorhanden.

„Eine unserer größten Sorgen bei der Kryptographie ist das Konzept ‚jetzt speichern, später entschlüsseln’“, sagt Silvia Ritsch, Doktorandin an der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden. „Jemand könnte Ihre verschlüsselte Kommunikation heute speichern und warten, bis er die Mittel hat, um in der Zukunft auf sie zuzugreifen.“

Die Idee ist einfach, aber ernst. Dritte können verschlüsselte Daten jetzt abfangen und speichern und warten, bis in der Zukunft leistungsfähigere Entschlüsselungswerkzeuge, wie z. B. Quantencomputer, verfügbar sind. Sobald sie über diese Werkzeuge verfügen, können sie die gespeicherten Daten, die immer noch sensibel oder wertvoll sein können, wieder entschlüsseln.

Hier kommen die Kryptographen ins Spiel. Sie untersuchen, entwerfen und testen neue Methoden zum Schutz von Daten. Ihre Rolle wird im Zusammenhang mit dem Quantencomputing noch wichtiger werden.

Laut Curty könnte die Aufrüstung der digitalen Infrastruktur zum Schutz der Kommunikation fünf bis sieben Jahre dauern, so dass eine frühzeitige Vorbereitung und Verbesserung der Kryptographie unerlässlich ist.

Sich entwickelnde Tools für sich entwickelnde Technologie

Codes sind nicht neu. Julius Cäsar verwendete eine einfache, auf dem Alphabet basierende Chiffre, um militärische Informationen zu verbergen. Im Laufe der Zeit haben sich diese einfachen Systeme zu den komplexen kryptografischen Methoden entwickelt, auf die wir uns heute verlassen und die alles von Online-Zahlungen bis hin zu persönlichen Gesundheitsdaten schützen.

„Der Schutz von Firmengeheimnissen vor ausländischer digitaler Spionage wird in Zukunft noch wichtiger werden“, sagte Curty. „Und die Sorge um den Schutz der Privatsphäre hat zugenommen, insbesondere nach den jüngsten Enthüllungen von Whistleblowern über Massenüberwachung.“

Die heutigen Verschlüsselungssysteme beruhen auf mathematischen Rätseln, die mit einem privaten Schlüssel leicht zu lösen sind, aber ohne einen solchen extrem schwierig. Diese Rätsel bilden das Rückgrat der sicheren Online-Kommunikation. Aber mit der Entwicklung von Quantencomputern werden sie möglicherweise leichter zu knacken sein.

Es gibt zwei mögliche Lösungen: die Quantenkryptographie, die auf der Quantenmechanik basiert, und die Post-Quantenkryptographie, die sich auf fortschrittliche mathematische Algorithmen stützt.

Das Quantenrätsel

Ein weiteres Mitglied des QSI-Teams ist Alex Grilo, ein erfahrener Kryptographie-Forscher des französischen Nationalen Zentrums für Wissenschaftliche Forschung an der Universität Sorbonne in Paris, Frankreich. Er hat sich auf die Konstruktion von Quantenverschlüsselungs- und Geheimhaltungsprotokollen spezialisiert und warnt vor den möglichen Gefahren.

„Wenn eine böswillige Partei unsere derzeitige Kryptographie mit Hilfe eines Quantencomputers bricht, sind alle unsere privaten Informationen plötzlich angreifbar“, sagte er.

Das ist die schlechte Nachricht. Die gute Seite von Quantum ist, dass es auch Lösungen für dieses Problem bieten kann.

Die Quantenkryptographie nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, um eine sichere Kommunikation zu ermöglichen. Ein Vorteil von Quantensystemen ist, dass Informationen nicht gemessen oder kopiert werden können, ohne sie zu verändern, d.h. Abhörversuche sind nachweisbar.

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Eines unserer größten Probleme mit der Kryptographie ist das Konzept „jetzt speichern, später entschlüsseln“.

„Jeder Versuch eines Abhörers, auf Informationen zuzugreifen, die in einem Quantenzustand verschlüsselt sind, führt unweigerlich zu einer Störung des Zustands“, sagte Curty.

Die Methode verwendet eine Reihe von Lichtimpulsen, die wie ein fortschrittlicher Morsecode wirken, der nicht abgefangen werden kann, ohne gestört zu werden.

„Wenn Sie versuchen, ein Quantenteilchen zu kopieren, stören Sie das Teilchen“, erklärt Alessandro Marcomini, Doktorand an der Universität von Vigo. Seine Forschung konzentriert sich auf die Verwendung von Quantensystemen zum sicheren Austausch von kryptographischen Schlüsseln und nicht auf die Nachricht selbst.

Die Post-Quantum-Kryptographie hingegen stützt sich nicht auf die Quantenphysik, sondern entwickelt neue mathematische Algorithmen, die so konzipiert sind, dass sie für Quantencomputer schwer zu lösen sind. Auf diesen Bereich hat sich Ritsch in ihrer Doktorarbeit konzentriert.

„Quantencomputer funktionieren ganz anders als klassische Computer. Das bedeutet, dass wir wirklich anders über die Probleme nachdenken müssen“, sagte sie. Das bedeutet, dass wir nicht-lineare Probleme und Paradigmenwechsel entwerfen müssen, die Quantencomputern Rätsel aufgeben.

Aufbau einer globalen Verteidigung

Es liegt auf der Hand, dass dies ein Thema von globaler Bedeutung ist, und der internationale Austausch und die Zusammenarbeit sind von zentraler Bedeutung für die Arbeit des QSI-Teams, nicht nur innerhalb Europas, sondern auch darüber hinaus.

Ritsch besuchte kürzlich die Universität von Amsterdam, um ihre Kryptographiekenntnisse zu vertiefen. Im Jahr 2024 verbrachte Marcomini drei Monate an der Universität Toyama in Japan, wo er mit japanischen Experten für Quantenkommunikation zusammenarbeitete. Ein weiterer Austausch ist für das Jahr 2025 geplant.

Sowohl Marcomini als auch Grilo werden sich mit japanischen Partnern zusammentun, um ihre Arbeit auf der Expo 2025 in Osaka, Japan, zu präsentieren. Mit Vorträgen auf Japanisch und Englisch, interaktiven Vorführungen und Spielen für Kinder wollen sie das Bewusstsein für Quantenbedrohungen schärfen und die kreativen Köpfe vorstellen, die daran arbeiten, sie zu bekämpfen.

Quantencomputer mögen noch ein Jahrzehnt von der breiten Anwendung entfernt sein, aber das Rennen um die Sicherheit des Internets hat bereits begonnen.

Die Forschung in diesem Artikel wurde von den Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) finanziert. Die Ansichten der Interviewpartner spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider. Wenn Ihnen dieser Artikel gefallen hat, empfehlen wir Ihnen, ihn in den sozialen Medien zu teilen.