Quantentechnologie revolutioniert die Kryptographie

LONDON (IT BOLTWISE) – Die Welt der Kryptographie steht vor einem bedeutenden Wandel, da Forscher die Potenziale der Quantentechnologie nutzen, um die Sicherheit von Verschlüsselungssystemen zu revolutionieren. Diese Entwicklung könnte die Art und Weise, wie wir Daten schützen, grundlegend verändern.

In der Theorie könnte die Quantenphysik die komplexen mathematischen Probleme umgehen, die der modernen Verschlüsselung zugrunde liegen. Ein neuer Beweis zeigt, wie dies möglich ist. Kryptographen haben traditionell eine Vorliebe für schwierige Probleme, da diese die Sicherheit moderner Verschlüsselungssysteme gewährleisten. Ein cleverer Trick, um diese Probleme zu lösen, könnte jedoch die meisten Formen der Kryptographie gefährden.

Vor einigen Jahren entdeckten Forscher einen radikal neuen Ansatz zur Verschlüsselung, der diese potenzielle Schwachstelle nicht aufweist. Dieser Ansatz nutzt die besonderen Eigenschaften der Quantenphysik. Im Gegensatz zu früheren Quantenverschlüsselungsschemata, die nur für einige spezielle Aufgaben funktionieren, kann der neue Ansatz eine viel breitere Palette von Aufgaben bewältigen. Und er könnte funktionieren, selbst wenn alle Probleme der klassischen Kryptographie leicht lösbar wären.

Diese bemerkenswerte Entdeckung beruhte jedoch auf unrealistischen Annahmen. Das Ergebnis war mehr ein Konzeptnachweis als eine Aussage über die reale Welt. Nun haben zwei Kryptographen in einem neuen Papier einen Weg zur Quantenkryptographie ohne diese abwegigen Annahmen aufgezeigt. Diese Arbeit legt nahe, dass, wenn bestimmte andere Vermutungen wahr sind, die Quantenkryptographie existieren muss.

Moderne Kryptographie kann als ein Turm betrachtet werden, der aus drei wesentlichen Teilen besteht. Der erste Teil ist das Fundament, das aus schwierigen mathematischen Problemen besteht. Der Turm selbst ist der zweite Teil, in dem sich spezifische kryptographische Protokolle befinden, die es ermöglichen, private Nachrichten zu senden, digitale Dokumente zu signieren und geheime Abstimmungen durchzuführen.

Zwischen diesen Anwendungen und dem mathematischen Fundament befindet sich eine Grundlage aus Bausteinen, die als Einwegfunktionen bezeichnet werden. Diese sind für die Asymmetrie in jedem Verschlüsselungsschema verantwortlich. In den 1980er Jahren bewiesen Forscher, dass Kryptographie, die auf Einwegfunktionen basiert, Sicherheit für viele verschiedene Aufgaben gewährleisten würde. Doch Jahrzehnte später sind sie sich immer noch nicht sicher, ob das Fundament stark genug ist, um es zu stützen.

Die Herausforderung besteht darin, dass das Fundament aus speziellen schwierigen Problemen besteht, die als NP-Probleme bekannt sind. Diese Probleme scheinen von Natur aus schwierig zu sein, aber Informatiker konnten dies bisher nicht beweisen. Wenn jemand einen genialen Algorithmus zur schnellen Lösung der schwierigsten NP-Probleme entdeckt, wird das Fundament bröckeln und der ganze Turm zusammenbrechen.

Um einen Turm auf schwierigeren Problemen zu bauen, müssten Kryptographen ein neues Fundament schaffen, das nicht aus Einwegfunktionen besteht. Dies schien unmöglich, bis Forscher erkannten, dass die Quantenphysik helfen könnte. Ein 2021 veröffentlichtes Papier eines Doktoranden namens William Kretschmer lenkte die Aufmerksamkeit auf ein seltsames Problem über die Eigenschaften von Quantensystemen. Forscher zeigten bald, dass Kretschmers Problem die Einwegfunktionen als Grundlage für einen neuen Turm kryptographischer Protokolle ersetzen könnte.

Im Herbst 2022 zog diese Frage die Aufmerksamkeit von Dakshita Khurana, einer Kryptographin an der University of Illinois, auf sich. Khurana und ihr Doktorand Kabir Tomer begannen, einen neuen Kryptographieturm zu bauen. Ihr erster Schritt bestand darin, ein neues Fundament mit quantenmechanischen Bausteinen anstelle klassischer Einwegfunktionen zu errichten. Sie mussten beweisen, dass dieses neue Fundament einen Turm anderer kryptographischer Protokolle tragen könnte.

Im Juli 2023, als Khurana fast neun Monate schwanger war, machten sie einen Durchbruch. Der entscheidende Schritt war die Definition eines weiteren mathematischen Bausteins, der als eine Art Kellerboden diente: eine Struktur, die das Fundament der Einwegzustandsgeneratoren mit einem Turm kryptographischer Protokolle verbindet. Khurana und Tomer nannten diese neuen Bausteine Einwegpuzzles.

Mit ihrem neuen Ergebnis haben Khurana und Tomer effektiv zwei offene Probleme auf eines reduziert. Wenn Forscher den Beweis erbringen, dass Quantencomputer bei einer bestimmten Aufgabe wirklich besser sind als klassische, wird dies automatisch die Quantenkryptographie auf eine viel stärkere theoretische Grundlage stellen als praktisch jede Art von klassischer Kryptographie.

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