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Wissenschaftler haben erstmals erfolgreich mithilfe eines Quantencomputers weitverbreitete Verschlüsselungsmethoden angegriffen. Einen vollständigen Quantenangriff verhindern bislang jedoch technische Grenzen.

Ein Quantencomputer nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, um Berechnungen auf eine Weise auszuführen, an der herkömmliche Rechner scheitern. Im Gegensatz zu klassischen Computern, die Informationen als Bits speichern, verwendet ein Quantencomputer Qubits. Dank Superposition können sie gleichzeitig 0 und 1 sein. Zusätzlich greifen Quantencomputer auf das Phänomen der Verschränkung zurück, die Qubits miteinander verknüpft, sodass die Manipulation eines Qubits den Zustand eines anderen beeinflusst. Dank dieser Eigenschaften stellen Quantencomputer klassische Rechner bei bestimmten Berechnungen wie der Primfaktorzerlegung oder beim Durchsuchen großer Datenmengen spielend in den Schatten.

Während sich die allgemeine Entwicklung von Quantencomputern noch in einem frühen Stadium befindet und davon keine unmittelbare Gefahr für moderne kryptografische Systeme ausgeht, rücken spezialisierte Quantencomputer immer mehr in den Fokus der Forschung, insbesondere in Bezug auf Cybersicherheit. Für seine Studie [1] nutzte ein Team chinesischer Wissenschaftler einen Quantencomputer des kanadischen Unternehmens D-Wave Systems, um kryptografische Algorithmen zu knacken.

Ursprünglich nicht für kryptografische Angriffe entwickelt, kommt der Quantenrechner bereits in verschiedenen Branchen für komplexe Aufgaben zum Einsatz. Mithilfe des sogenannten Quantum-Annealing-Verfahrens kann er beispielsweise mathematische Probleme schnell lösen, indem er nach dem niedrigsten Energiezustand sucht. Das Verfahren ermöglicht es dem Quantencomputer, optimale Lösungen zu finden, die klassische Algorithmen nur sehr schwierig erreichen könnten.

Anders als ein universeller Quantencomputer, der theoretisch alle Arten von Berechnungen ausführen kann, ist ein Quanten-Annealer für eine engere Klasse von Aufgaben optimiert. Dazu gehören hauptsächlich solche, bei denen es darum geht, das globale Minimum einer Energiefunktion zu ermitteln. Zu den typischen Anwendungsbereichen für Quanten-Annealer gehören zum Beispiel Logistik- und Routenoptimierung, Finanzportfoliomanagement oder auch maschinelles Lernen. Die Funktionsweise basiert auf dem Phänomen des Quanten-Tunnelns, durch das ein Quanten-Annealer Energiebarrieren durchdringen kann, statt sie zu überwinden. Der größte Anbieter von Quanten-Annealern ist das Unternehmen D-Wave Systems, das Quanten-Annealing-Chips entwickelt und schon einige Maschinen für kommerzielle Anwendungen anbietet.

Die neue Arbeit kombinierte Quantum Annealing mit konventionellen mathematischen Ansätzen und schuf eine innovative Rechnerarchitektur, um ein reales Verschlüsselungsproblem als binäres Optimierungsproblem für den Quantencomputer zu formulieren. Das Forscherteam nutzte den D-Wave Advantage-Quantencomputer, um die Algorithmen Present, Gift-64 und Rectangle anzugreifen, die als zentrale Vertreter der sogenannten Substitutions-Permutations-Netzwerkstruktur gelten. Diese Struktur bildet die Grundlage des Verschlüsselungsstandards AES.

Der AES (Advanced Encryption Standard) dient der Sicherung digitaler Informationen. Er wurde im Jahr 2001 vom amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) als Nachfolger des älteren DES (Data Encryption Standard) festgelegt und gilt als einer der sichersten und am weitesten verbreiteten Algorithmen für die Verschlüsselung. Obwohl AES-256 in vielen Fällen als ein besonders sicherer Verschlüsselungsstandard gilt, deutet die neue Studie darauf hin, dass Quantencomputer diese Sicherheit bald gefährden könnten. Während der Quantencomputer bisher keine spezifischen Passwörter der getesteten Algorithmen entschlüsseln konnte, zeigt die Forschung, dass dies in greifbare Nähe rückt. Weitere Fortschritte im Quantencomputing könnten das Risiko für bestehende kryptografische Systeme erhöhen und potenziell neue Schwachstellen aufdecken. (csi)