Quantencomputing – Wie sicher ist die Quantenverschlüsselung?

In der Welt der Kryptografie wird die Quantenverschlüsselung als die ultimative Form der Sicherheit betrachtet. Sie verspricht eine absolut sichere Methode zur Verschlüsselung von Informationen, die von niemandem gehackt werden kann, einschließlich von Quantencomputern. Aber ist die Quantenverschlüsselung wirklich so sicher, wie wir glauben? In diesem Blogbeitrag werden wir die Probleme, Risiken und Sicherheitsaspekte der Quantenverschlüsselung genauer betrachten.

Quantentechnologie und ihre Auswirkung auf die Sicherheit

Wie in unserem Blogbeitrag „Quantencomputer und Quantenmechanik – Ist das unsere Zukunft?“ beschrieben, arbeiten die Quantencomputer mit den sogenannten „Quantenbits“, die im Gegensatz zu einem „normalen“ Rechner mehr als zwei Zustände (bei einem Bit) nutzen und somit eine höhere Leistung erbringen können. Somit verwendet die Quantenverschlüsselung eine unvorhersehbare, zufällige Reihenfolge der Quantenbits (Photonen) im Algorithmus, um die Informationen zu verschlüsseln.

Was ist die Quantenverschlüsselung?

Die Quantenverschlüsselung basiert auf der Quantenmechanik, um Daten zu verschlüsseln und zu übertragen. Der Schlüsselaustausch erfolgt dabei über die Quantum Key Distribution (QKD).

Bei der QKD wird ein Schlüssel zwischen den beiden Kommunikationspartnern ausgetauscht, der auf der Unmöglichkeit beruht, den Zustand eines Photons zu messen, ohne ihn dabei zu verändern. Die Kommunikationspartner erzeugen dabei jeweils eine Folge von Photonen, die zufällige Quantenzustände aufweisen. Diese werden dann über einen Lichtleiter an den Empfänger geschickt. Der Empfänger misst die Zustände der Photonen und erhält dadurch eine zufällige Bitfolge, die als Schlüssel verwendet werden kann.

Die Quantenverschlüsselung ist daher sehr sicher, da jede Abhörung oder Störung der Photonen zwangsläufig zu einem Fehler im Schlüssel führt und Eindringlinge vom Empfänger erkannt werden. Zudem lässt sich der Schlüsselaustausch nicht abfangen, da die Quantenzustände nicht reproduzierbar sind.

Allerdings ist die Quantum Key Distribution (QKD) noch nicht perfekt und es gibt noch einige Herausforderungen, die gelöst werden müssen, um die Technologie in der Praxis einsetzen zu können. Dazu gehört zum Beispiel die Begrenzung der Übertragungsdistanz und die Empfindlichkeit gegenüber Störungen.

Wo wird die Quantenverschlüsselung heutzutage schon genutzt?

Die Quantenverschlüsselung ist eine noch relativ junge Technologie und wird daher bisher nur in begrenztem Umfang eingesetzt. Derzeit sind die Anwendungen hauptsächlich auf den Bereich der sicheren Datenübertragung beschränkt.

Ein Beispiel dafür ist der Einsatz der Quantenverschlüsselung bei der Übertragung von Finanzdaten. So hat die Bank of America beispielsweise im Jahr 2018 die erste kommerzielle Transaktion mithilfe der Quantenverschlüsselung durchgeführt.

Auch in der Telekommunikation wird die Technologie bereits eingesetzt. So hat die chinesische Firma Micius im Jahr 2017 einen Satelliten ins All geschossen, der Quantenverschlüsselung, für die sichere Übertragung von Daten zwischen Bodenstationen nutzt.

Insgesamt ist die Quantenverschlüsselung jedoch noch nicht weit verbreitet und wird vor allem in der Forschung und Entwicklung weiter vorangetrieben. Ein weiteres Einsatzfeld der Quantenverschlüsselung ist die Berechnung von komplexen Wetterdaten.

Probleme und Risiken der Quantenverschlüsselung

Obwohl die Quantenkryptografie die klassischen Verschlüsselungstechnologien in puncto Sicherheit weit übertrifft, ist es dennoch wichtig zu verstehen, dass die Quantenverschlüsselung nicht die Lösung für alle Sicherheitsprobleme darstellt und immer noch einige Probleme und Risiken vorhanden sind.

• Technische Schwierigkeiten:
  Quantenverschlüsselung erfordert spezielle Hardware und eine komplexe Technologie, die derzeit noch nicht vollständig entwickelt ist. Es ist schwierig, eine Quantenverschlüsselung in großem Maßstab zu implementieren, was die Praktikabilität dieser Technologie einschränkt.
• Begrenzung der Übertragungsdistanz:
  Die Übertragung von Quantenschlüsseln ist derzeit auf relativ kurze Entfernungen beschränkt, da die Quantenzustände aufgrund von Störeffekten wie Dämpfung und Rauschen schnell verloren gehen können.
• Kostenintensität der Technologie:
  Der Aufbau und Betrieb von Quantenverschlüsselungsnetzwerken erfordert spezielle Hardware und Infrastruktur, die sehr teuer und aufwendig zu implementieren sind.
• Attacken auf die Infrastruktur:
  Obwohl Quantenverschlüsselung sehr sicher ist, ist die Infrastruktur, auf der sie basiert, anfällig für Angriffe. Wenn ein Angreifer in der Lage ist, die Komponenten der Infrastruktur zu kompromittieren oder zu stören, kann auch hier die Sicherheit der Kommunikation beeinträchtigt werden.
• Attacken auf den Quantenkanal:
  Quantenverschlüsselung ist nur so sicher wie der Quantenkanal, der die Quanteninformationen überträgt. Wenn ein Angreifer in der Lage ist, diesen Kanal zu manipulieren, kann er die Sicherheit der Kommunikation beeinträchtigen.
• Zukunftsfähigkeit:
  Quantencomputer haben das Potenzial, viele der gängigen Verschlüsselungstechnologien zu brechen. Das bedeutet, dass die Quantenverschlüsselung zwar derzeit als sehr sicher gilt, jedoch langfristig möglicherweise nicht die endgültige Lösung für die sichere Datenübertragung sein wird.
• Menschliches Versagen:
  Wie bei jeder Technologie hängt die Sicherheit der Quantenverschlüsselung von der sorgfältigen Implementierung ab. Wenn Menschen Fehler machen oder absichtlich Regeln missachten, kann die Sicherheit auch hier beeinträchtigt werden.

Wer für Informationssicherheit verantwortlich ist, sollte schon jetzt eine Bestandsaufnahme der aktuell eingesetzten Verschlüsselungsalgorithmen vornehmen:

Der Standard AES-256 wird voraussichtlich quantensicher sein, ebenso wie die Hashing-Algorithmen SHA-384 und SHA-512. Als Zwischenlösung sollten Unternehmen die Länge der Algorithmen für öffentliche Schlüssel auf mindestens 3072 Bit erhöhen, um sich vor Angriffen zu schützen.

Fazit: Quantencomputing und Quantenverschlüsselung auf dem Prüfstand

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Quantenverschlüsselung eine vielversprechende Methode ist, um die Sicherheit von Datenübertragungen zu erhöhen. Die Nutzung von Quantencomputern in Kombination mit der Quantenverschlüsselung bietet ein hohes Maß an Sicherheit, welches herkömmliche kryptografische Verfahren nicht bieten können. Durch die Unvorhersehbarkeit der Quantenmechanik und den dadurch entstehenden Schlüsseln ist eine Abhörung durch Dritte nahezu unmöglich.

Jedoch gibt es auch Herausforderungen und Risiken, die mit der Quantenverschlüsselung verbunden sind. Zum einen sind die Kosten für die Erstellung und den Betrieb von Quantenkommunikationssystemen derzeit noch sehr hoch, was die Verbreitung der Technologie einschränkt. Zum anderen gibt es auch potenzielle Bedrohungen, wie z.B. Angriffe auf die Hardware. Zudem gibt es auch die Bedrohung für die Sicherheit von verschlüsselten Daten durch die Quantencomputer selbst, da sie in der Lage sind, herkömmliche Verschlüsselungsmethoden zu brechen. Darüber hinaus besteht bei der Quantenverschlüsselung die Gefahr von Sicherheitslücken, da jede Technologie nicht perfekt ist und es theoretisch möglich ist, den Schlüsselaustausch abzufangen.

Quantenverschlüsselung wird zukünftig eine wichtige Rolle in der IT-Sicherheit spielen, um die Sicherheit von Daten und Kommunikation auf ein neues Niveau zu heben. Es ist jedoch wichtig, dass weitere Forschung und Entwicklung betrieben werden, um die Kosten zu senken und die Technologie für eine breitere Anwendung zugänglich zu machen. Außerdem müssen Sicherheitsaspekte weiter verbessert werden, potenzielle Risiken und Bedrohungen weiterhin analysiert und minimiert werden, um eine möglichst hohe Sicherheit zu gewährleisten.

Ausblick auf die Zukunft der Quantenverschlüsselung

In der Zukunft wird die Quantenverschlüsselung voraussichtlich eine immer größere Rolle spielen, da die Bedeutung von IT-Sicherheit in allen Bereichen der Gesellschaft zunimmt. Es ist anzunehmen, dass die Technologie in den nächsten Jahren weiterentwickelt wird und die Kosten für die Implementierung und den Betrieb sinken werden.

In der Telekommunikation könnte die Quantenverschlüsselung dazu beitragen, den Schutz von Daten bei der Übertragung zu verbessern und Angriffe auf Netzwerke zu erschweren. Auch in der Finanzindustrie könnte die Quantenverschlüsselung einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit von Transaktionen leisten.

Darüber hinaus könnte die Quantenverschlüsselung auch in anderen Bereichen der IT-Sicherheit eingesetzt werden, wie z.B. bei der Verschlüsselung von Daten in der Cloud oder bei der sicheren Übertragung von sensiblen Informationen in der Gesundheitsbranche.

Insgesamt bietet die Quantenverschlüsselung vielversprechende Möglichkeiten, um die Sicherheit von Datenübertragungen zu erhöhen und einen besseren Schutz vor Bedrohungen zu gewährleisten. Es ist jedoch wichtig, dass weiterhin in die Forschung und Entwicklung investiert wird, um die Technologie noch sicherer und effizienter zu machen und um potenzielle Risiken und Bedrohungen zu minimieren.