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Sicherheitsrisiko Quantencomputer: Höchste Zeit zu handeln

Karsten Lemm 13.02.2018 Lesezeit 8 Min

Die neuen Superrechner könnten helfen, Krebs zu heilen oder den Aufbruch ins All zu beschleunigen. Ganz sicher werden sie zur Gefahr für verschlüsselte Daten. Der renommierte Quantenforscher Michele Mosca erklärt im WIRED-Gespräch, wieso Sicherheit im Internet von Grund auf neu gedacht werden muss – jetzt, ehe es zu spät ist.

Tempo, Tempo! Egal, wie schnell Computer werden – es finden sich immer neue Anwendungen, die noch mehr Rechenkraft verlangen. Doch das herkömmliche Chipdesign stößt an Grenzen: Inzwischen ballen sich 100 Millionen Transistoren auf einem einzigen Quadratmillimeter. Auch wenn die Ingenieure sich immer neue Tricks einfallen lassen, rücken Quantencomputer mehr und mehr ins Zentrum der Entwicklung, weil sie versprechen, die Leistungskraft exponentiell voranzutreiben.

Das Konzept der neuartigen Computer beruht auf Phänomenen der Quantenmechanik und erlaubt es im Prinzip, bestimmte Berechnungen parallel auszuführen, statt wie bisher als Abfolge von Einsen und Nullen. Zwar ist vieles davon noch theoretisch, doch große Technikkonzerne wie IBM, Google und Microsoft pumpen Milliarden in die Entwicklung praktischer Anwendungen.

Quantenforscher Michele Mosca auf der DLD-Konferenz in München

Der kanadische Quantenforscher Michele Mosca, der an der Universität Waterloo das Institute for Quantum Computing leitet, erklärt im Gespräch mit WIRED, wo die neuen Superrechner den größten Fortschritt bringen könnten – aber auch, warum es höchste Zeit wird, die Datensicherheit im Internet zu überdenken. Jetzt schon, selbst wenn die ersten Quantencomputer noch Jahre von der Alltagstauglichkeit entfernt sein mögen.

WIRED: Wodurch unterscheidet ein Quantencomputer sich von einem herkömmlichen Rechner?
Michele Mosca: Beide arbeiten binär. Normalerweise gibt es nur ein Entweder-Oder, die Wahl zwischen Eins und Null. Quantenmechanik sagt uns allerdings, dass die Realität reicher an Möglichkeiten ist, als wir sie an der Oberfläche erleben. Wenn wir uns auf dem subatomaren Level bewegen, können wir theoretisch Informationen so manipulieren, dass sie diverse Zustände zwischen Eins und Null zugleich einnehmen. Damit ließen sich bestimmte Aufgaben mit einem Quantencomputer um ein Vielfaches schneller erledigen, als es bisher möglich ist.

Aus Grundlagenforschung ist mehr und mehr eine Aufgabe für Ingenieure geworden.

WIRED: Für welche Zwecke wäre das nützlich?
Mosca: Die Annahme ist, dass Quantencomputer besonders gut darin wären, komplexe Simulationen zu berechnen – beispielsweise, um chemische Reaktionen auf Quantengröße zu verstehen. Für die Suche nach neuen Medikamenten, Düngemitteln oder supraleitenden Materialien wäre das sehr hilfreich. Labortests sind aufwändig und teuer, deshalb könnten Simulationen mit Quantencomputern enorm viel Geld sparen. Allerdings stehen wir bei der Frage möglicher Anwendungen noch ganz am Anfang: Wozu Quantencomputer wirklich gut sind, werden wir erst wissen, wenn wir welche haben.

WIRED: Lange galten Quantencomputer eher als theoretisches Konstrukt – nun häufen sich die Erfolgsmeldungen. Woher kommt dieser plötzliche Fortschritt?
Mosca: Fortschritt hat es immer schon gegeben; er ist nur sehr unauffällig gewesen. In den vergangenen 20 Jahren sind wir enorm vorangekommen. Aus Grundlagenforschung ist mehr und mehr eine Aufgabe für Ingenieure geworden. Nun sehen wir Licht am Ende des Tunnels, und viele Menschen erkennen, dass die Frage nicht mehr lautet, ob sich Quantencomputer überhaupt realisieren lassen, sondern lediglich, wann das der Fall sein wird.

WIRED: Welchen Zeitrahmen halten Sie für realistisch?
Mosca: Das möchten natürlich alle gern wissen, aber die Frage lässt sich nur sehr schwer beantworten. Es gibt verschiedene Ansätze, Quantencomputer zu realisieren, und unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten, dass sie erfolgreich ans Ziel führen. Generell sehe ich eine Chance von 1:6, dass wir innerhalb von zehn Jahren einsatzfähige Quantencomputer haben werden. Und schon bald darauf, in 14 oder 15 Jahren, werden wir bei einer Chance von 50:50 sein. Das Problem ist: Je höher die Gewissheit, um so weniger Zeit bleibt uns zum Reagieren.

Datenschutz wird immer erst zum Thema, wenn Angriffe wirtschaftlichen Druck erzeugen.

WIRED: Sie gehören zu den Wissenschaftlern, die in solchen Rechnern eine grundsätzliche – und zu wenig beachtete – Gefahr für Sicherheit im Internet sehen. Warum?
Mosca: Quantencomputer eignen sich besonders gut dazu, bestimmte mathematische Aufgaben zu lösen, die herkömmlichen Systemen sehr schwer fallen. Dazu gehört auch die Zerlegung von großen Zahlen in ihre Primfaktoren. Alle gängigen Sicherheitsverfahren im Internet basieren auf auf der These, dass derzeitige Rechner Jahre brauchen, um eine sehr große Zahl – die zur Verschlüsselung genutzt wird – in ihre Faktoren zu zerlegen. Für Quantencomputer dagegen ist das eine recht simple Aufgabe, und damit wirken solche Systeme wie ein Hammer, der unsere wichtigsten Verschlüsselungsmodelle in Stücke zerschmettert.

WIRED: Wie lässt sich die Gefahr abwenden?
Mosca: Wir brauchen neue mathematische Modelle, bei denen der Aufwand zum Dekodieren von Daten auch für Quantencomputer exponentiell steigt, je länger der eingesetzte Schlüssel wird. Danach suchen Kryptografen seit Jahren. Die Herausforderung dabei ist: Wir brauchen ein mathematisches Problem, bei dem es leicht ist, einen Schlüssel zu erzeugen, den beide Seiten öffentlich austauschen können – aber sehr schwer, diesen Schlüssel zu dekodieren. Fast alles, was wir ausprobiert haben, hat sich als ungeeignet erwiesen. Nur drei mathematische Modelle gelten derzeit als robust genug, um gegen Attacken mit Quantencomputern bestehen zu können. Dazu gehört zum Beispiel das Finden kurzer Vektoren in einer Gitterstruktur. Es liegt aber noch sehr viel Arbeit vor uns, um diese Modelle praxistauglich zu machen.

WIRED: Wenn so viel auf dem Spiel steht, warum bekommt die Entwicklung von Quantencomputern weit mehr Aufmerksamkeit als das Verschlüsselungs-Problem?
Mosca: Das ist das klassische Sicherheits-Dilemma in der Digitalwelt: Datenschutz wird immer erst zum Thema, wenn Angriffe einen wirtschaftlichen Druck erzeugen. Dann spielt Geld plötzlich keine Rolle mehr, und man investiert Unsummen, um Informationen und den eigenen Ruf zu retten. Wir kennen das auch aus anderen Bereichen: Wie viele Unfälle mussten geschehen, ehe Sicherheitsgurte und Airbags vorgeschrieben wurden? Irgendwann greift der Gesetzgeber ein, aber erst muss ein Schaden entstehen, ehe Wirtschaft und Politik bereit sind zu reagieren.

WIRED: Das klingt pessimistisch.
Mosca: Es ist nicht so, als ob sich gar nichts tun würde. Die Nationale Sicherheitsbehörde der USA, die NSA, hat bereits angekündigt, die Nutzung von Algorithmen zu verlangen, die als quantensicher gelten. Das heißt, alle Unternehmen, die künftig mit der US-Regierung zusammenarbeiten wollen, müssen ihre Infrastruktur auf diese Herausforderung vorbereiten – und das macht es auch für andere leichter, auf quantenresistente Kryptografie umzusteigen. Auch Unternehmen wie Google, Microsoft, Intel und Cisco arbeiten an dem Thema. Allerdings sind es meist die Forschungsabteilungen, die sich damit beschäftigen. Produkte werden daraus nur entstehen, wenn auch die Kunden nach Quantensicherheit verlangen.

Man muss kein Großkonzern sein, um ganz vorn mit dabei zu sein.

WIRED: Kann dabei jenseits der Riesen aus dem Silicon Valley jemand mithalten?
Mosca: Man muss kein Großkonzern sein und die Besten der Besten beschäftigen, um ganz vorn mit dabei zu sein. Das Open-Source-Projekt Open Quantum Safe, das ich mit ins Leben gerufen habe, gibt auch kleinen Firmen die Möglichkeit, sich kostenlos zu informieren und quantenresistente Algorithmen in eigenen Produkten und Systemen zu testen. Das heißt, jeder, der mag, kann sich heute schon mit dieser Technologie vertraut machen.

WIRED: Dennoch dürften sich viele Normalnutzer überfordert fühlen. Was raten Sie denen?
Mosca: Fragen Sie nach Quantensicherheit, verlangen Sie, dass Ihre Daten auch in Zukunft noch geschützt sind. Verbrauchern kommt hier eine sehr wichtige Rolle zu, denn wenn Anbieter keinen finanziellen Anreiz sehen, Sicherheit zu einem Grundprinzip ihrer Produkte zu machen, werden wir auch nie dahinkommen, dass Sicherheit beim Produktdesign an erster Stelle steht.

WIRED: Sind Sie zuversichtlich, dass der Umstieg auf quantenresistente Systeme gelingen wird, ehe Quantencomputer einsatzbereit sind?
Mosca: Ich hoffe es – aber zuversichtlich bin ich nicht.

WIRED: Warum nicht?
Mosca: Computerwissenschaftler verlangen seit vielen Jahren, dass Sicherheit zum Grundprinzip bei der Produktentwicklung werden muss – gelungen ist das bis heute nicht. Auch deshalb, weil wir immer noch versuchen, technische Lösungen für ein gesellschaftliches Problem zu finden. Menschen tun nun einmal nicht immer das, was am besten für sie ist. Also müssen wir Wege finden, das richtige Handeln stärker zu belohnen.

WIRED: Welche Anreize sehen Sie dafür?
Mosca: Die Herausforderung durch Quantencomputer gibt uns die Chance, die Abwehrkräfte unseres digitalen Immunsystems deutlich zu stärken. Es ist so ähnlich wie bei einem Arztbesuch: Man geht in die Praxis, weil etwas weh tut, und bei der Untersuchung stellt sich heraus, dass der Körper noch eine Reihe anderer Probleme hat. Quantencomputer zwingen uns, überall noch einmal ganz genau hinzusehen, um den Schutz zu erhöhen. Daraus entsteht die Möglichkeit, Cybersecurity von Grund auf neu zu denken. Wenn es uns gelingt, Sicherheit in Wirtschaft, Politik und Gesellschaft zu einem zentralen Thema zu machen, könnte sich die Herausforderung durch Quantencomputer als großes Plus erweisen – allerdings nur unter der Bedingung, dass wir das Problem diszipliniert und proaktiv angehen. Jeder Versuch, in letzter Minute darauf zu reagieren, würde uns nur wieder ein neues Chaos bescheren.