Quantencomputing in der IT-Sicherheit – Gefahr und Chance zugleich

Quantencomputing – Was ist das eigentlich?

Quantencomputing ist eine fortschrittliche Form der Datenverarbeitung, die sich die Prinzipien der Quantenmechanik zunutze macht – eine der grundlegenden Theorien der Physik, die das Verhalten von Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene beschreibt. Anders als herkömmliche Computer, die Informationen in Form von Bits speichern und verarbeiten (wobei jedes Bit entweder den Wert 0 oder 1 annimmt), nutzen Quantencomputer sogenannte Quantenbits, oder Qubits. Ein Qubit kann gleichzeitig verschiedene Zustände einnehmen, eine Eigenschaft, die als Superposition bekannt ist.

Diese Fähigkeit zur Superposition, kombiniert mit einem weiteren quantenmechanischen Phänomen namens Verschränkung, ermöglicht es Quantencomputern, eine Vielzahl potenzieller Ergebnisse gleichzeitig zu verarbeiten. Dadurch können sie bestimmte Berechnungen, insbesondere solche, die das Durchsuchen einer riesigen Anzahl von Möglichkeiten erfordern, unter bestimmten Voraussetzungen wesentlich schneller durchführen als traditionelle Computer. Beispielsweise könnten Quantencomputer in der Zukunft Aufgaben wie die Optimierung komplexer Systeme, die Simulation molekularer Strukturen oder das Angreifen bestimmter heute eingesetzter kryptographischer Verfahren revolutionieren, die selbst die leistungsfähigsten heutigen Supercomputer nur sehr langsam oder gar nicht lösen könnten.

Für die IT-Sicherheit ist insbesondere die Entwicklung leistungsfähiger, fehlertoleranter Quantencomputer relevant. Ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer könnte mit Algorithmen wie Shor's Algorithmus bestimmte heute verbreitete asymmetrische Kryptosysteme wie RSA und ECC gefährden.

Das Potenzial des Quantencomputings ist enorm, und obwohl es sich noch in einem relativ frühen Entwicklungsstadium befindet, arbeiten Wissenschaftler:innen und Technologen weltweit intensiv an der Überwindung technischer Hürden, um diese Technologie für praktische Anwendungen nutzbar zu machen.

Der wachsende Markt des Quantencomputings

Die Marktforschungsunternehmen sind sich einig: Der Markt für Quantencomputing ist auf dem Vormarsch. Laut Analysten soll das globale Marktvolumen von Quantencomputern und verwandten Technologien in den nächsten Jahren exponentiell wachsen. Verschiedene Faktoren tragen zu diesem Wachstum bei. Dazu gehören vor allem die steigenden Investitionen von Regierungen und großen IT-Konzernen, die zunehmende Zahl von Start-ups, die sich auf diese Technologie spezialisieren, sowie die Fortschritte in der Forschung und Entwicklung, die kommerziell nutzbare Anwendungen immer näher rücken lassen.

Ein Bereich, in dem Quantencomputer bereits in naher Zukunft eine wesentliche Rolle spielen könnten, ist die Materialwissenschaft. Hier ermöglicht die enorme Rechenleistung von Quantencomputern, komplexe molekulare Strukturen und Reaktionen zu simulieren, was beispielsweise für die Entwicklung neuer Medikamente und nachhaltiger Materialien von großer Bedeutung ist. Auch in der Logistik, bei Optimierungsproblemen und in der Finanzbranche, wo große Datenmengen schnell analysiert und bewertet werden müssen, könnten Quantencomputer langfristig eine wichtige Rolle spielen.

Herausforderungen und Chancen

Trotz des enormen Potenzials und der beeindruckenden Fortschritte stehen Entwickler und Anwender von Quantencomputern vor zahlreichen Herausforderungen. Die größte davon ist die Fehleranfälligkeit der Qubits. Aufgrund ihrer extremen Empfindlichkeit gegenüber ihrer Umgebung neigen Qubits zu Fehlern, die die Ergebnisse der Quantenberechnungen verfälschen können. Die Entwicklung von fehlertoleranten Qubits und die Verbesserung der Fehlerkorrektur-Mechanismen sind daher zentrale Forschungsziele.

Ein weiteres Hindernis ist der Mangel an Fachkräften, die in der Lage sind, mit Quantentechnologien umzugehen. Hier ist die Bildung und Weiterbildung von IT-Fachkräften gefragt, um das notwendige Wissen und die Fähigkeiten zu vermitteln, die für den Umgang mit dieser zukunftsweisenden Technologie erforderlich sind.

Quantencomputing und IT-Sicherheit

Ein besonders spannendes Feld für das Quantencomputing ist die Anwendung in der IT-Sicherheit. Auf der einen Seite birgt es erhebliche Risiken: Die Fähigkeit von Quantencomputern, komplexe Verschlüsselungen in einem Bruchteil der Zeit zu knacken, die herkömmliche Computer benötigen würde, könnte bestimmte heute eingesetzte kryptographische Verfahren langfristig gefährden und für großen Schaden sorgen, wenn Übergangslösungen nicht schnell genug implementiert werden.

Besonders betroffen sind dabei asymmetrische kryptographische Verfahren wie RSA und Verfahren auf Basis elliptischer Kurven. Symmetrische Verschlüsselungsverfahren sind hingegen anders von Quantencomputing betroffen und gelten bei ausreichend großen Schlüssellängen als deutlich weniger gefährdet.

Auf der anderen Seite sind neue Verschlüsselungstechniken, die auch der enormen Rechenleistung von Quantencomputern standhalten können, bereits Gegenstand intensiver Forschung. Quantencomputing bietet die Möglichkeit, die Sicherheit durch die Entwicklung neuer Verschlüsselungsmethoden, die sogenannte Post-Quanten-Kryptographie, erheblich zu verbessern. Die Post-Quanten-Kryptografie (PQC) ist inzwischen nicht mehr nur Gegenstand der Forschung: Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) hat 2024 die ersten drei PQC-Standards finalisiert: ML-KEM, ML-DSA und SLH-DSA.

Diese neuen Technologien sind darauf ausgelegt, selbst den leistungsstarken Angriffen von Quantencomputern standzuhalten, und könnten so die Art und Weise, wie wir Daten schützen, revolutionieren. Für Unternehmen bedeutet dies, dass die Migration zu quantenresistenten kryptografischen Verfahren bereits heute geplant werden sollte. Dazu gehört zunächst eine Bestandsaufnahme, welche kryptografischen Verfahren in den eigenen Systemen, Anwendungen und Kommunikationswegen eingesetzt werden.

Dabei spielt auch das Szenario „Harvest now, decrypt later“ eine Rolle: Angreifer können bereits heute verschlüsselte Daten sammeln und versuchen, diese zu einem späteren Zeitpunkt mit leistungsfähigen Quantencomputern zu entschlüsseln. Bei Daten mit langer Schutzdauer kann daher bereits heute Handlungsbedarf bestehen.

Diese doppelte Natur des Quantencomputings als Werkzeug sowohl für Verteidigung als auch für Angriff in der digitalen Welt verlangt nach einer sorgfältigen strategischen Planung und Regulierung. Die IT-Sicherheitsbranche steht vor der Herausforderung, sich nicht nur auf die Abwehr von Bedrohungen durch Quantencomputing vorzubereiten, sondern auch dessen Potenzial zur Stärkung der Sicherheitsinfrastrukturen aktiv zu nutzen. Der „Dual Use“ von Quantencomputing eröffnet somit sowohl immense Chancen als auch signifikante Risiken und erfordert eine besonnene Vorgehensweise.