Post-Quantum-Kryptographie: Sicherheit im Zeitalter der Quantencomputer

Post-quantum-Kryptographie ist ein zentrales Thema im Zeitalter der Quantencomputer. Jahrzehntelang galt die Verschlüsselung im Internet als sicher - ob bei Banktransaktionen, Messenger-Chats oder elektronischen Signaturen. All diese Anwendungen beruhen auf mathematischen Algorithmen, die mit klassischen Computern praktisch nicht zu knacken sind.

Mit dem Aufkommen von Quantencomputern verändert sich dieses Bild jedoch grundlegend. Ihre enorme Rechenleistung bedroht die etablierten Schutzmechanismen: Aufgaben, die heutige Supercomputer Jahrtausende beschäftigen, könnten von Quantencomputern in wenigen Minuten gelöst werden. IT-Experten sehen darin die größte Herausforderung für die Cybersicherheit der letzten 50 Jahre.

Im Fokus steht deshalb die Post-Quantum-Kryptographie - eine neue Generation kryptografischer Verfahren, die auch Quantenangriffen standhalten sollen. Weltweit arbeiten Forschungsinstitute und Regierungen an der Entwicklung und Standardisierung dieser Technologien. Der folgende Artikel beleuchtet die Bedrohung durch Quanten-Hacking, erklärt die Grundlagen postquanten-sicherer Verfahren und zeigt, welche Schritte Unternehmen und Staaten heute schon für den Schutz sensibler Daten gehen sollten.

1. Quantencomputer und ihre Bedrohung für die Sicherheit

Klassische Computer arbeiten mit Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen. Quantencomputer hingegen nutzen Qubits, die dank Superposition und Verschränkung gleichzeitig mehrere Zustände repräsentieren können. Dadurch sind sie in der Lage, Milliarden Rechenoperationen parallel auszuführen.

Für Wirtschaft und Forschung bieten Quantencomputer enorme Chancen etwa in Medizin, Logistik oder Materialwissenschaften - für die Kryptographie bedeuten sie jedoch ein enormes Risiko.

Die größte Gefahr geht vom Shor-Algorithmus aus, der große Zahlen in polynomialer Zeit faktorisieren kann. Genau auf der Schwierigkeit der Faktorisierung basiert das RSA-Verfahren, das HTTPS-Verbindungen, Banktransaktionen und digitale Signaturen schützt. Was klassischen Computern Billionen Jahre abverlangt, kann ein Quantencomputer in Stunden oder Minuten bewältigen.

Betroffen sind neben RSA auch weitere gängige Verfahren:

• ECC (Elliptic Curve Cryptography) - weit verbreitet in mobiler Kryptografie und Blockchain-Anwendungen;
• DH (Diffie-Hellman) - wird für den Aufbau sicherer Verbindungen genutzt;
• DSA - digitale Signaturen, unter anderem in staatlichen Systemen.

Quantenangriffe könnten das zu massiven Konsequenzen führen - von Datenlecks bis hin zu Gefahren für die nationale Sicherheit. Schon heute verfolgen Behörden die "Store now, decrypt later"-Strategie: Verschlüsselter Datenverkehr wird gespeichert, um ihn später mit Quantencomputern zu entschlüsseln, sobald diese verfügbar sind.

2. Was ist Post-Quantum-Kryptographie?

Um den "Krypto-Nulltag" zu verhindern, entsteht ein neues Forschungsfeld: die Post-Quantum-Kryptographie (PQC). Hierbei handelt es sich um Algorithmen, die selbst Quantencomputern widerstehen.

Im Gegensatz zur Quantenkryptografie, die auf spezielle Hardware und Quantenkanäle angewiesen ist, funktionieren postquantensichere Algorithmen auf herkömmlichen Computern und können breit eingesetzt werden.

Zu den wichtigsten Klassen postquanten-sicherer Algorithmen gehören:

• Gitterbasierte Kryptographie (Lattice-based) - gilt als besonders vielversprechend, z.B. der Kyber-Algorithmus, der von NIST standardisiert wird;
• Code-basierte Kryptographie - basiert auf komplexen Kodierungsproblemen, wie Classic McEliece;
• Multivariate Verschlüsselung - nutzt schwer lösbare Gleichungssysteme über endlichen Körpern;
• Mehrstufige Signaturen - z. B. Falcon und Dilithium für besonders sichere digitale Signaturen.

2022 hat das NIST die Finalisten seines Wettbewerbs für Post-Quantum-Kryptographie bekanntgegeben, darunter:

• CRYSTALS-Kyber (Verschlüsselung/Schlüsselaustausch)
• CRYSTALS-Dilithium (digitale Signaturen)
• Falcon (lattice-basierte digitale Signaturen)
• Classic McEliece (Verschlüsselung, codebasierte Kryptographie)

Diese Algorithmen sollen künftige Sicherheitsstandards prägen und RSA sowie ECC ablösen.

3. Schutzmaßnahmen gegen Quantenangriffe

Wie können Daten schon heute geschützt werden, obwohl leistungsfähige Quantencomputer noch nicht verfügbar sind? Fachleute empfehlen verschiedene Ansätze:

1. Hybride Systeme: Paralleler Einsatz klassischer und postquanten-sicherer Algorithmen, z.B. durch Kombination von RSA und Kyber bei TLS-Verbindungen.
2. Schrittweiser Umstieg: Vorrangige Einführung neuer Verfahren in besonders gefährdeten Bereichen wie Banken, staatlichen Registern oder Militärnetzwerken.
3. Nationale Standards: Die USA, China und die EU erarbeiten eigene Post-Quantum-Standards, um Kompatibilität und Schutz kritischer Infrastrukturen sicherzustellen.
4. Quantum-resistant Encryption: Oberbegriff für Algorithmen, die Quantenangriffen standhalten sollen.

In der Praxis wird der Schutz gegen Quantenangriffe aus einer Mischung aus Software-, Protokoll- und sogar Hardware-Updates bestehen.

4. Cybersicherheit und Quantentechnologien im Jahr 2025

Die Welt bereitet sich auf ein neues Wettrüsten vor - diesmal im Bereich der Kryptographie. Große Technologiekonzerne arbeiten mit Hochdruck an Quantencomputern:

• IBM hat mit "Osprey" einen Quantencomputer mit 433 Qubits vorgestellt und plant weitere Sprünge in den nächsten Jahren.
• Google proklamierte 2019 die Quantenüberlegenheit und arbeitet an Systemen der nächsten Generation.
• China investiert Milliardensummen in Quantentechnologien, inklusive den Aufbau eines Quanteninternets.

Was bedeutet das für die Cybersicherheit?

• Kryptographie im Jahr 2025 wird hybrid sein: Bewährte Algorithmen laufen parallel zu neuen Standards.
• Der Quanten-Internet ist bisher experimentell - die Nutzung von Verschränkung könnte theoretisch abhörsichere Kommunikation ermöglichen, ist aber noch Zukunftsmusik.
• Auch Hacker werden neue Angriffsmöglichkeiten entwickeln. Staaten und Unternehmen werden eigene Quanten-Schutzsysteme etablieren, was zu einer neuen Balance im Cyberraum führen könnte.

Fazit

Quantencomputer bieten Chancen und Risiken zugleich: Sie eröffnen neue Horizonte für Wissenschaft und Technik, stellen aber auch das bestehende System der digitalen Sicherheit in Frage.

Um vorbereitet zu sein, sollten Unternehmen und Organisationen bereits heute aktiv werden:

• Umstieg auf postquanten-sichere Kryptographie planen,
• hybride Verschlüsselungslösungen implementieren,
• die Standardisierung durch NIST und andere beobachten,
• in Weiterbildung und Aufklärung investieren.

Wer frühzeitig umstellt, wird in der Ära der Quantencomputer die Nase vorn haben.

FAQ: Häufig gestellte Fragen

Was ist Quantum Hacking?
Quantum Hacking bezeichnet den Einsatz von Quantencomputern zum Knacken kryptografischer Verfahren. Beispielsweise kann der Shor-Algorithmus RSA-Verschlüsselungen in kurzer Zeit brechen.

Was bedeutet postquanten-sicherer Algorithmus?
Das ist ein kryptografischer Algorithmus, der auch Angriffen durch Quantencomputer standhält. Beispiele sind Kyber, Dilithium und Falcon.

Wann werden Quantenangriffe Realität?
Laut Prognosen von IBM und Google könnten Quantencomputer, die RSA-2048 brechen können, in 10 bis 15 Jahren verfügbar sein.

Können Daten schon heute geschützt werden?
Ja, durch hybride Systeme, die klassische und postquanten-sichere Algorithmen kombinieren.

Was ist das Quanteninternet?
Ein Netzwerk, das Quantenverschränkung zur Datenübertragung nutzt. Es verspricht absolute Abhörsicherheit, ist aber derzeit noch experimentell.

Warum sind nationale Standards für Post-Quantum-Kryptographie wichtig?
Sie sorgen für Kompatibilität verschiedener Lösungen und bieten Unternehmen und Staaten einen einheitlichen Regelrahmen zur Datensicherung.

Was sollten Unternehmen jetzt tun?
Risiken bewerten, hybride Verschlüsselung einführen, Protokolle aktualisieren und sich auf die Post-Quantum-Ära vorbereiten.