Bedeuten Quantencomputer und Kryptographie das Aus für sichere Kommunikation?

Quantencomputer und Kryptographie: Das klingt nach Science-Fiction und Verschwörungsthrillern à la Dan Brown. Tatsächlich werden Quantencomputer und die auf ihnen laufenden Algorithmen in naher Zukunft ganz realen Einfluss auf die Art und Weise haben, in der wir sicher, d.h. verschlüsselt, über Kanäle wie Messengerdienste kommunizieren und sensible Daten austauschen können.

Wie funktioniert die klassische Kryptographie?

Klassische Kryptographie ist die Wissenschaft vom Verschlüsseln und Entschlüsseln von Informationen zu dem Zweck, dass sie nur von den adressierten Empfänger*innen gelesen werden können. Sie ist das Rückgrat der digitalen Sicherheit – egal ob beim Online-Banking, beim Versenden von E-Mails oder beim Surfen im Internet.

1. Verschlüsselung mit einem Schlüssel: Stell dir vor, du möchtest eine geheime Nachricht verschicken. Du benutzt eine Art „Geheimcode“ (den sogenannten Schlüssel), um deine Nachricht so zu verändern, dass sie für Außenstehende unverständlich wird.
2. Entschlüsselung: Nur jemand, der den passenden Schlüssel kennt, kann die Nachricht wieder in lesbaren Text zurückverwandeln.

Man unterscheidet zwei Hauptarten der klassischen Kryptographie:

1. a) Symmetrische Verschlüsselung

• Beide Seiten nutzen denselben Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln.
• Beispiel: AES (Advanced Encryption Standard).
• Das Problem: Der Schlüssel muss sicher zwischen den Kommunikationspartnern ausgetauscht werden – das ist oft die entscheidende Schwachstelle.

1. b) Asymmetrische (Public-Key-)Kryptographie

• Hier gibt es zwei Schlüssel: einen öffentlichen (jeder darf ihn kennen) und einen privaten (der ist geheim).
• Was mit dem öffentlichen Schlüssel verschlüsselt wird, kann nur mit dem privaten Schlüssel entschlüsselt werden – und umgekehrt.
• Beispiel: RSA-Verschlüsselung (RSA bezieht sich auf den „Rivest-Shamir-Adleman“-Algorithmus)
• Der Vorteil: Der öffentliche Schlüssel kann offen verteilt werden, der private bleibt geheim.

Warum ist das sicher?

Die Sicherheit der klassischen Kryptographie beruht darauf, dass bestimmte mathematische Aufgaben extrem schwer zu lösen sind – zum Beispiel das Zerlegen einer sehr großen Zahl in ihre Primfaktoren (wie bei RSA). Für normale Computer würde die Lösung einer solchen Aufgabe Millionen Jahre dauern. Die Sicherheit hängt hier also von der Rechenleistung und den Algorithmen ab, man spricht daher auch von „computational security“. Beispiel aus dem Alltag: Wenn du eine Nachricht per WhatsApp verschickst, wird sie auf deinem Handy verschlüsselt und kann nur auf dem Handy der Empfängerin wieder entschlüsselt werden. Selbst wenn jemand die Nachricht unterwegs abfängt, sieht er nur sinnlosen „Zeichensalat“.

Was haben Quantencomputer mit der Sicherheit klassischer Verschlüsselungsverfahren zu tun?

Quantencomputer könnten die „computational security“ gefährden. Denn diese Computer und die speziell für sie entwickelten Algorithmen funktionieren gänzlich anders als klassische Computer, so dass die oben genannten „schwierigen“ mathematischen Probleme plötzlich zu „leichten“, schnell lösbaren Problemen werden. Und schon könnte ein böswilliger Abhörer mitlesen, was du deinem Crush schreibst. Aktuell ist es noch nicht so weit, denn die bis heute realisierten Quantencomputer verfügen nur über wenige sogenannte Qubits (für „Quantenbits“) – die grundlegenden Informationseinheiten eines Quantencomputers. Zum effektiven Knacken einer klassischen Verschlüsselung sind jedoch Millionen Qubits notwendig. Aber es ist nur eine Frage der (vermutlich kurzen) Zeit, bis die Technik so weit entwickelt ist, dass Quantencomputer produktiv zur Verfügung stehen. Von Konrad Zuses Z3, dem ersten funktionstüchtigen Computer der Welt, von 1941 bis zum ersten verfügbaren Personal Computer Altair 8800 von 1975 vergingen nur 34 Jahre.

Und dann? Ist dann unsere sämtliche Kommunikation für alle offen einsehbar?

Nicht unbedingt. Denn die Prinzipien, auf denen die Quantencomputer basieren, stellen auch Lösungen für das Verschlüsselungsproblem bereit, die sogenannte „Quantenkryptographie“. Diese ist den klassischen Verschlüsselungsmethoden überlegen und bietet absolute Sicherheit. Denn egal wie viel Rechenpower ein Angreifer aufbietet, egal ob mit klassischen oder Quantencomputern: Quantenkryptographie macht das Abhören von Nachrichten nicht nur schwierig, sondern prinzipiell unmöglich. Dies liegt an den Grundgesetzen der Quantenmechanik, die entscheidenden Stichworte sind hier Unschärferelation und No-Cloning-Theorem. Im Gegensatz zur (schwachen) „computational security“ spricht man bei der Quantenkryptographie von „informationstheoretischer Sicherheit“. Besser geht’s nicht! Möchtest du mehr über die Grundlagen der Quantenkryptographie (und noch vieles mehr) erfahren? Dann schau in die Neuauflage des erfolgreichen Quantenmechanik-Lehrbuchs von Friedhelm Kuypers!