Quantencomputer: Gefahr für die Verschlüsselung im Internet?

Verschlüsselungen

Bei den zwei Verfahren im Anriss Text handelt es sich um folgende: Einem asymmetrischen Verfahren mit öffentlichem Schlüssel und einem symmetrischen mit geheimem Schlüssel. Dabei wird zuerst mittels eines langsamen und aufwändigen Verfahrens ein gemeinsamer, geheimer Schlüssel ausgetauscht. Dieser wird dann in einem viel schnelleren Verfahren sowohl für die Ver- als auch die Entschlüsselung verwendet.

Während der zweite Teil – solange der Schlüssel genug lang ist und nur einmalig verwendet wird – nachweislich sicher ist, besteht derzeit beim ersten Teil Grund zur Sorge: Da dieser asymmetrische Teil auf der Annahme beruht, dass es enorm aufwändig ist, riesige Primzahlen in ihre immer noch riesigen Faktoren zu zerlegen, könnte dieser Schritt durch neue Computer, die auf Quantenmechanik statt newtonscher Physik beruhen, angreifbar sein.

Aus diesem Grund sind Bestrebungen am Laufen, Verschlüsselungsverfahren, welche auch mittels Quantencomputer nicht angreifbar sind, zu etablieren. Idealerweise sollten diese Anstrengungen Früchte tragen, bevor die derzeit in der Entwicklung befindlichen Quantencomputer genug gut sind, um die herkömmlichen Verfahren zu kompromittieren.

Gefahr für derzeitige Verschlüsselung

Quantencomputer arbeiten nicht auf Basis der klassischen Physik, sondern bauen auf der Quantenmechanik auf. Hierbei werden die Prinzipien der Superposition und Kohärenz genutzt, um bestimmte mathematische Probleme wie die Suche in riesigen Datensätzen oder die Primfaktorzerlegung massiv schneller erledigen zu können.

Im Umfeld der Verschlüsselung ist die Zerlegung in Primfaktoren die entscheidende Anwendung: 1994 hat Peter Shor vom MIT einen ersten – inzwischen gibt es auch andere – Algorithmus vorgestellt, der auf Quantencomputern Primfaktoren viel schneller zerlegen kann als alle bekannten Verfahren auf klassischen Computern. Daraus ergibt sich, dass das RSA-Verfahren zum Austausch von Schlüsseln mit Quantencomputern angreifbar ist. Damals waren Quantencomputer noch weitestgehend eine theoretische Überlegung und es waren keine tatsächlichen Implementationen bekannt.

Da Arbeiten zum Bau solcher Maschinen aber bald erste Fortschritte erzielten, wurde klar, dass mit der Suche nach neuen Methoden nicht abgewartet werden durfte, bis die verfügbaren Verschlüsselungen tatsächlich einfach zu knacken sind.

Suche nach neuen Methoden

Daher startete die amerikanische Standardisierungsbehörde NIST im April 2016 ein Verfahren, um ein Verschlüsselungssystem zu etablieren, welches auch von Quantencomputern nicht innert nützlicher Zeit geknackt werden könnte. Bis zum Eingabeschluss Ende 2017 sind über 50 Vorschläge eingegangen, wovon derzeit noch vier in der dritten Runde als aussichtsreich gelten und weiterverfolgt werden.

Diese sogenannten Post-Quanten-Verfahren basieren alle auf mathematischen Verfahren, die auf klassischen Computern durchgeführt werden können, ohne beim Entschlüsseln von Quantenverfahren ausgehebelt werden zu können. Doch was, wenn die Quantenmechanik nicht ganz den Entschlüsselungen überlassen wird?

Quantenverschlüsselung

Auf theoretischer Basis bietet die Quantenmechanik erstmals in der Geschichte die Möglichkeit, eine Nachricht mit einem Verfahren auszutauschen, dass aufgrund physikalischer Gegebenheiten beweisbar unknackbar ist. Dies ist ein ungeheurer Bruch in der bisherigen Entwicklung von Ver- und Entschlüsselungsmethoden. Seit Jahrtausenden liefern sich Ver- und Entschlüssler ein Katz- und Mausspiel, bei dem mal die eine und mal die andere Seite die Nase vorne hat. Dabei wurden schon etliche Verschlüsselungen von ihren Erfindern als „unknackbar“ angepriesen. Doch dies konnte entweder widerlegt oder nicht bewiesen werden.

Die aktuell diskutierte Methode basiert darauf, Informationen über die Polarisation von Photonen auszutauschen. Dabei kann die gesendete Nachricht nur mit dem korrekten Schlüssel korrekt empfangen werden. Weder hat ein Angreifer die Möglichkeit, mehrere Versuche zu starten, noch kann die Nachricht zwischen den beiden kommunizierenden Parteien abgehört werden, ohne die Nachricht zu verfälschen.

Während diese auf polarisierten Photonen basierenden Systeme der Verschlüsselung zwar auf theoretischer Basis unfehlbar sind, gibt es sowohl bei der Umsetzung der Ideen wie auch bei der Sicherheit der Implementation noch massive Probleme. Einerseits ist das Senden und Empfangen einzelner Photonen ohne jeglichen Fehler so gut wie unmöglich, andererseits können solche Nachrichten offensichtlich nur über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung übermittelt werden. Das heutige Internet basiert aber darauf, dass alle Informationen paketweise über mehrere Schritte weitergeleitet werden, bis diese beim Empfänger ankommen.

Somit ist leider – zumindest für den Moment – die Verwendung von Quantenmechanik zur Abwehr der Angriffe durch Quantencomputer keine valable Lösung.

Ist die klassische Verschlüsselung noch sicher?

Um Shor’s Algorithmus zur Zerlegung von Primzahlen auszuführen, ist nebst einem äussert starken klassischen Computer ein Quantencomputer mit der doppelten Anzahl qBits der Primzahllänge nötig. Die Schlüssellänge, welche wir für unsere Webseite verwenden beträgt 1024 Bits. Somit ist die verwendete Verschlüsselung noch so lange sicher, bis ein Quantencomputer mit mindestens 2048 qBits gebaut wird. Der derzeit beste bekannte Quantencomputer der Welt wird von Google betrieben und hat 54 qBits. Diese Maschine muss bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt betrieben werden, ist sehr fehleranfällig und benötigt zum Starten zwei Tage.

Die Entwicklung der Quantencomputer ist also wohl noch ein Jahrzehnt davon entfernt, im Labor eine Gefahr für heutige Verschlüsselungen darzustellen. In der Breite werden solche Rechner kaum je einsetzbar sein.

Anhand der inzwischen öffentlich gewordenen Informationen waren im letzten Jahrhundert die Geheimdienste der öffentlich bekannten Arbeit meist zehn bis fünfzehn Jahre voraus. Es ist also vorstellbar, dass bereits heute die Geheimdienste der grössten Mächte dazu in der Lage sind, sämtliche Kommunikation im Internet zu entschlüsseln. Da die dafür aufgewendeten Mittel aber enorm sein müssten, ist davon auszugehen, dass diese nur für Ziele mit hohem Wert für die Geheimdienste angewandt würden.

Wenn also genug lange Schlüssel korrekt eingesetzt und regelmässig geändert werden, können wir derzeit noch alle sicher miteinander kommunizieren.

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