Das Billionen-Dollar-Versprechen des Quantencomputings birgt erhebliche Gefahren

Quantencomputing birgt neben enormen Risiken auch ein transformatives Potenzial. Technologieriesen wie IBM, Google, Microsoft und Amazon haben kommerzielle Quanten-Cloud-Dienste auf den Markt gebracht, während spezialisierte Unternehmen wie Quantinuum und PsiQuantum schnell eine Einhorn-Bewertung erreichten. Analysten gehen davon aus, dass der globale Quantencomputing-Markt von 2025 bis 2035 über 1 Billion US-Dollar zur Weltwirtschaft beitragen könnte. Dennoch bleibt eine entscheidende Frage offen: Überwiegen die Vorteile definitiv die Gefahren?

Einerseits könnten diese fortschrittlichen Systeme Bereiche wie die pharmazeutische Forschung, die Klimawissenschaft, die künstliche Intelligenz und das Streben nach künstlicher allgemeiner Intelligenz (AGI) revolutionieren. Andererseits bringen sie tiefgreifende Herausforderungen für die Cybersicherheit mit sich, die sofortige Aufmerksamkeit erfordern, auch wenn kryptografisch relevante Quantencomputer, die in der Lage sind, die heutige Verschlüsselung zu knacken, noch Jahre von ihrer Realisierung entfernt sind.

Die Bedrohungslage durch Quantencomputer verstehen

Das Hauptproblem der Cybersicherheit im Zusammenhang mit Quantencomputern ist ihre Fähigkeit, Verschlüsselungsalgorithmen zu knacken, die derzeit als unknackbar gelten. Eine Umfrage von KPMG zeigt, dass etwa 78 % der US-amerikanischen Unternehmen und 60 % der kanadischen Firmen davon ausgehen, dass Quantencomputer bis 2030 zum Mainstream werden. Noch alarmierender ist, dass 73 % der US-amerikanischen Befragten und 60 % der kanadischen Befragten glauben, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis Cyberkriminelle Quantencomputer nutzen, um aktuelle Sicherheitsprotokolle zu kompromittieren.

Moderne Verschlüsselung basiert auf mathematischen Problemen, die mit klassischen Computern innerhalb eines realistischen Zeitrahmens praktisch nicht lösbar sind. Beispielsweise würde die Faktorisierung der großen Primzahlen, die bei der RSA-Verschlüsselung verwendet werden, einen klassischen Computer schätzungsweise 300 Billionen Jahre kosten. Mit dem 1994 entwickelten Shor-Algorithmus, der es Quantencomputern ermöglicht, große ganze Zahlen effizient zu faktorisieren, könnte ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer dieses Problem jedoch exponentiell schneller lösen.

Der für die unstrukturierte Suche entwickelte Grover-Algorithmus stellt eine erhebliche Herausforderung für die symmetrische Verschlüsselung dar, da er deren Sicherheitsstärke effektiv halbiert. Das bedeutet, dass die AES-128-Verschlüsselung eine Sicherheit bieten würde, die mit einem klassischen 64-Bit-System vergleichbar ist, wodurch sie anfällig für Quantenangriffe wäre. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit, auf robustere Standards wie AES-256 umzusteigen, die den Quantenbedrohungen der nahen Zukunft besser standhalten können.

Jetzt sammeln, später entschlüsseln

Die Angriffsstrategie „Jetzt sammeln, später entschlüsseln“ (HNDL) ist besonders besorgniserregend. Bei diesem Ansatz sammeln Angreifer heute verschlüsselte Daten, um sie zu entschlüsseln, sobald die Quantentechnologie ausgereift ist. Dies stellt ein ernstes langfristiges Risiko für sensible Daten mit bleibendem Wert dar, wie z. B. Krankenakten, Finanzinformationen, geheime Regierungsdokumente und militärische Geheimdienstinformationen.

Angesichts der potenziell katastrophalen Auswirkungen von HNDL-Angriffen müssen Organisationen weltweit, die kritische Infrastrukturen verwalten, „Krypto-Agilität” anwenden – die Fähigkeit, kryptografische Algorithmen und Implementierungen schnell zu ersetzen, sobald neue Schwachstellen auftreten. Diese Bedrohung wird im US-amerikanischen National Security Memorandum on Promoting U.S. Leadership in Quantum Computing While Mitigating Risk to Vulnerable Cryptographic Systems anerkannt, das ausdrücklich proaktive Gegenmaßnahmen fordert.

Der Zeitplan der Bedrohung

Die Prognosen für das Eintreten von Quantenbedrohungen gehen unter Experten weit auseinander. Ein aktueller MITRE-Bericht, der auf den aktuellen Trends im Bereich des Quantenvolumens (eine wichtige Leistungskennzahl) basiert, geht davon aus, dass ein Quantencomputer, der leistungsfähig genug ist, um die RSA-2048-Verschlüsselung zu knacken, möglicherweise erst um 2055–2060 auf den Markt kommen wird.

Gleichzeitig sind einige Experten optimistischer. Sie argumentieren, dass die jüngsten Fortschritte bei der Quantenfehlerkorrektur und dem Algorithmusdesign den Fortschritt beschleunigen und möglicherweise bereits 2035 Quantenentschlüsselungsfähigkeiten ermöglichen könnten. So äußerten beispielsweise die Forscher Jaime Sevilla und Jess Riedel in einem Bericht von Ende 2020 eine 90-prozentige Zuversicht, dass RSA-2048 vor 2060 faktorisiert werden könnte.

Auch wenn der genaue Zeitplan noch ungewiss ist, besteht doch Einigkeit darüber, dass Unternehmen sofort mit den Vorbereitungen beginnen müssen, unabhängig davon, wann die Quantenbedrohung tatsächlich eintritt.

Quanten-Maschinelles Lernen – die ultimative Black Box?

Über die aktuellen Bedenken hinsichtlich der Krypto-Agilität hinaus sorgen sich Sicherheitsforscher und Futuristen um die unvermeidliche Konvergenz von KI und Quantensystemen. Die Quantentechnologie könnte die KI-Entwicklung durch die Durchführung komplexer Berechnungen mit beispielloser Geschwindigkeit vorantreiben und damit möglicherweise den Fortschritt in Richtung AGI beschleunigen. Diese Synergie schafft jedoch auch Szenarien mit unvorhersehbaren Ergebnissen.

Das Kernproblem ist auch ohne AGI verständlich. Die Integration von Quantencomputern in das maschinelle Lernen könnte das Problem der „ultimativen Black Box” schaffen. Tiefe neuronale Netze sind bereits jetzt notorisch undurchsichtig, mit Entscheidungsprozessen, die schwer zu interpretieren sind. Während es Tools gibt, um klassische neuronale Netze zu erklären, würde das Quanten-Maschinelle Lernen nach grundlegend anderen Prinzipien funktionieren.

Die Herausforderung ergibt sich aus der Verwendung von Superposition, Verschränkung und Interferenz durch Quantencomputer, um Informationen auf eine Weise zu verarbeiten, für die es keine klassische Entsprechung gibt. Bei der Anwendung auf ML-Algorithmen können die resultierenden Modelle Prozesse beinhalten, die praktisch unmöglich in für Menschen verständliche Überlegungen übersetzt werden können. Dies wirft erhebliche Bedenken für Bereiche mit hohem Risiko wie das Gesundheitswesen, den Finanzsektor und autonome Systeme auf, in denen das Verständnis von KI-Entscheidungen für die Sicherheit und die Einhaltung von Vorschriften unerlässlich ist.

Wird die Post-Quanten-Kryptografie ausreichen?

Um den zunehmenden Quantenbedrohungen zu begegnen, startete das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) 2016 sein Projekt zur Standardisierung der Post-Quanten-Kryptografie. Nach einer umfassenden Prüfung von 69 Kandidatenalgorithmen von Kryptografen aus aller Welt wählte das NIST mehrere vielversprechende Methoden aus, die auf strukturierten Gittern und Hash-Funktionen basieren – mathematische Probleme, die als resistent gegen klassische und Quantenangriffe gelten.

Im Jahr 2024 veröffentlichte das NIST detaillierte Post-Quantum-Kryptografie-Standards, was große Technologieunternehmen dazu veranlasste, frühzeitig Schutzmaßnahmen zu implementieren. So führte Apple beispielsweise PQ3 ein, ein Post-Quantum-Protokoll für iMessage, um sich vor fortgeschrittenen Quantenangriffen zu schützen. In ähnlicher Weise testet Google seit 2016 Post-Quantum-Algorithmen in Chrome und integriert sie schrittweise in seine Dienste.

Unterdessen treibt Microsoft die Entwicklung von Qubit-Fehlerkorrekturtechniken voran, ohne die Quantenumgebung zu stören – ein bedeutender Schritt in Richtung zuverlässiger Quantencomputer. Das Unternehmen gab kürzlich die Schaffung eines „neuen Zustands der Materie” namens „topologisches Qubit” bekannt, der die Entwicklung voll funktionsfähiger Quantencomputer beschleunigen könnte.

Wichtige Herausforderungen beim Übergang

Dennoch ist die Umstellung auf Post-Quanten-Kryptografie mit erheblichen Hürden verbunden:

• Implementierungszeitraum: US-Beamte schätzen, dass die Einführung neuer kryptografischer Standards in allen Systemen 10 bis 15 Jahre dauern wird, was insbesondere für Hardware an abgelegenen Standorten wie Satelliten, Fahrzeugen und Geldautomaten eine Herausforderung darstellt.
• Auswirkungen auf die Leistung: Die Post-Quanten-Verschlüsselung erfordert in der Regel größere Schlüsselgrößen und komplexere Vorgänge, was die Ver- und Entschlüsselungsprozesse verlangsamen kann.
• Mangel an technischem Fachwissen: Für eine erfolgreiche Integration sind IT-Fachleute erforderlich, die sich sowohl mit klassischer als auch mit Quanten-Kryptografie auskennen.
• Entdeckung von Schwachstellen: Selbst vielversprechende Post-Quanten-Algorithmen können versteckte Schwachstellen enthalten, wie der vom NIST ausgewählte CRYSTALS-Kyber-Algorithmus zeigt.
• Bedenken hinsichtlich der Lieferkette: Kritische Quantenteile wie Kryokühler und Spezial-Laser sind durch geopolitische Spannungen und Lieferunterbrechungen gefährdet.

Schließlich bleibt technologisches Know-how auch im Quantenzeitalter von größter Bedeutung. Auch wenn Unternehmen Post-Quanten-Kryptografie einsetzen, kann Verschlüsselung allein nicht vor menschlichen Fehlern schützen – wie dem Anklicken bösartiger Links, dem Öffnen dubioser Anhänge oder dem Missbrauch von Datenzugriffen. Ein kürzlich aufgetretener Vorfall bei Microsoft, bei dem zwei Anwendungen versehentlich private Verschlüsselungsschlüssel offenlegten, zeigt, wie Implementierungsfehler einen theoretisch soliden Schutz untergraben können.

Vorbereitung auf die Quanten-Zukunft

Unternehmen sollten mehrere wichtige Schritte unternehmen, um sich auf Quanten-Sicherheitsbedrohungen vorzubereiten:

• Durchführung einer kryptografischen Bestandsaufnahme: Katalogisieren Sie alle Systeme, die Verschlüsselung verwenden und für Quantenangriffe anfällig sein könnten.
• Bewerten Sie den Lebenszeitwert von Daten: Identifizieren Sie Informationen, die langfristig geschützt werden müssen, und priorisieren Sie System-Upgrades entsprechend.
• Entwickeln Sie Migrationszeitpläne: Legen Sie realistische Zeitpläne für die Umstellung aller Systeme auf Post-Quanten-Kryptografie fest.
• Weisen Sie angemessene Ressourcen zu: Planen Sie die erheblichen Kosten ein, die mit der Implementierung quantenresistenter Sicherheitsmaßnahmen verbunden sind.
• Verbessern Sie die Überwachungsmöglichkeiten: Implementieren Sie Systeme zur Erkennung potenzieller HNDL-Angriffe.

Das Theorem von Michele Mosca bietet einen Rahmen für die Planung der Quantensicherheit: Wenn X (die Zeit, in der Daten sicher bleiben müssen) plus Y (die Zeit, die für die Aktualisierung kryptografischer Systeme erforderlich ist) Z (die Zeit, bis Quantencomputer die aktuelle Verschlüsselung knacken können) übersteigt, müssen Unternehmen sofort handeln.

Fazit

Wir treten in eine Ära des Quantencomputings ein, die mit ernsthaften Herausforderungen für die Cybersicherheit einhergeht, die sofortiges Handeln erfordern, auch wenn noch Ungewissheit über deren vollständige Ausprägung besteht. Auch wenn kryptografisch relevante Quantencomputer noch Jahrzehnte entfernt sein mögen, sind die Risiken der Untätigkeit zu groß, um sie zu ignorieren.

Vivek Wadhwa von Foreign Policy warnt eindringlich: „Das Versagen der Welt, KI – oder vielmehr die als solche getarnten primitiven Technologien – zu zügeln, sollte als eindringliche Warnung dienen. Eine noch leistungsfähigere neue Technologie mit dem Potenzial, insbesondere in Kombination mit KI, verheerende Schäden anzurichten, ist das Quantencomputing.“

Um diesen technologischen Wandel zu bewältigen, sollten Unternehmen damit beginnen, Post-Quanten-Kryptografie zu implementieren, feindliche Quantenprogramme zu überwachen und die Quanten-Lieferkette zu sichern. Es ist unerlässlich, sich jetzt vorzubereiten – bevor Quantencomputer unsere derzeitige Sicherheit obsolet machen.

Julius Černiauskas ist CEO bei Oxylabs.