[datensicherheit.de, 19.03.2025] Nach Laser und OLEDs steht die zweite Quantenrevolution ins Haus: Einzelne Lichtteilchen können hergestellt, gezielt manipuliert und gemessen werden. Welche Möglichkeiten dies für die Cyber-Sicherheit bietet, erläutern Expertinnen und Experten auf der Anwendertagung mit begleitender Fachausstellung Quantum Photonics, die erstmalig am 13. und 14. Mai 2025 in Erfurt stattfindet.

Anwendertagung „Quantum Photonics“, Bild: Messe Erfurt

Klassische Kryptographie steht vor großen Herausforderungen

Die klassische Kryptographie steht vor großen Herausforderungen. Denn um Daten verschlüsseln und sicher übertragen zu können, ist ein gewisser Austausch von Informationen nötig. Wird dieser allerdings belauscht, lässt sich der Schlüssel zurückberechnen: Die Daten sind lesbar. Quantencomputer und künstliche Intelligenz lassen das Problem drängender werden. Doch Quantentechnologien bieten gleichzeitig eine Lösung: Die Quantenkryptographie. Statt auf Mathematik wie klassische Kryptographie basiert sie auf Physik – mit Schlagworten wie Superposition, Verschränkung, Unschärfe – und ermöglicht somit ein neues Level an Sicherheit. „Bei der Quanten-Kryptographie würde jedes Belauschen dazu führen, dass der Quantenzustand zerstört und der Schlüssel unwiederbringlich verloren ist“, weiß Dr. Kevin Füchsel, Geschäftsführer der Quantum Optics Jena GmbH. „Sie bietet somit die Möglichkeit, Daten nahezu abhörsicher auszutauschen.“

Quanten-Kryptographie-Experten aus Forschung und Unternehmen geben Einblicke

Welchen Forschungsfragen im Bereich der Quanten-Kryptographie gehen Universitäten und Forschungseinrichtungen derzeit nach? Wie setzen Unternehmen die Quantenkryptographie bereits ein und welche zukünftigen Chancen sehen sie? Diese und ähnliche Fragen werden auf der Quantum Photonics am 13. und 14. Mai 2025 in Erfurt erörtert, bei der Forscher, Entwickler, Konstrukteure und Nutzende ihre Expertise austauschen. „Neben Forschungseinrichtungen binden wir bewusst anwendende Unternehmen ein – schließlich bewegt sich die Quantenkryptographie längst weg vom rein akademischen Feld hin zur Alltagsanwendung“, sagt Füchsel, der zudem Forenverantwortlicher des Bereichs „Quantum for Cyber Security“ auf der Quantum Photonics ist.

So etwa in der Bundesdruckerei. Da sie unter anderem Geldscheine druckt und Ausweise erstellt, spielt der Schutz von Identitäten eine große Rolle. Auf dem Fachkongress gibt Oliver Muth, Projektleiter und Senior Principal Secure Materials & Quantum Systems der Bundesdruckerei GmbH, einen Einblick, wie das Unternehmen die Cyber-Sicherheit mit Hilfe von Quantenkryptographie, Quantencomputing und Quantensensorik nach oben treibt.

Hohe Bedeutung „quantensicherer“ Kommunikation bei Behörden und Regierungen

Wichtig ist eine „quantensichere“ Kommunikation insbesondere bei Behörden und Regierungen. Bis 2030 soll daher eine länderübergreifende Quantenkommunikationsinfrastruktur aufgebaut werden – so das große und ambitionierte Ziel der europäischen Initiative European Quantum Communication Infrastructure. Die deutsche Zuarbeit leistet das Projekt Q-net-Q, geleitet von Dr. Thomas Hühn von der Hochschule Nordhausen. Er erläutert, wie Quanten-Kryptographie Cyber-Sicherheit auf europäischer Ebene ermöglichen soll.

Eine Möglichkeit für die Realisation von Quanten-Kryptographie besteht in der „Quantum Key Distribution“, kurz QKD: Sie benötigt spezialisierte Hardware wie Einzelphotonenquellen oder -detektoren. Die Post-Quantum-Kryptographie dagegen lässt sich auch auf klassischer Hardware implementieren. Dabei handelt es sich um kryptografische Verfahren, von denen angenommen wird, dass sie auch mit Hilfe eines Quantencomputers nicht zu brechen sind. Wie sich Quantum Key Distribution und Post-Quantum-Kryptographie implementieren lassen, erörtert Thomas Lebeth von der dacoso GmbH.

Auch die Quantum Optics Jena GmbH – eine Ausgründung des Fraunhofer IOF – wird auf dem Fachkongress vertreten sein. „Wir sind weltweit der einzige QKD-Hersteller, der Szenarien aufbauen kann, bei denen mehrere Nutzer gleichzeitig von einer Quantenquelle mit Schlüsselmaterialien versorgt werden“, sagt Füchsel, „und eines der wenigen Unternehmen, das mit verschränkten Photonenpaaren arbeitet. Aktuell findet der Transit von der Forschung hin zur Implementierung statt.“

Neben Unternehmenseinblicken wird auch die aktuelle Forschung zur Cyber-Sicherheit eine große Rolle auf der Quantum Photonics spielen. Beispielsweise stellt das Fraunhofer IOF die Ergebnisse des BMBF-Projekts QuNet vor, an dem zudem das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, das DLR Institut für Kommunikation und Navigation sowie das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut HHI beteiligt sind. Mit einem Schlüsselexperiment konnten die Forschenden bereits zeigen, wie sich mehrere quantengesicherte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen realisieren und kombinieren lassen.

Thüringen: Lange Tradition im Bereich der Photonik

Thüringen bietet nach Angaben des Veranstalters für die neue Messe Quantum Photonics einen idealen Standort. Schließlich gibt es dort eine lange Tradition in der Hochtechnologie, insbesondere im Bereich Optik und Photonik. „Die Universität Jena und das Fraunhofer IOF haben den Quantenzug mit angeschoben – auch aktuell nimmt das Fraunhofer IOF als Entwicklungstreiber in zahlreichen größeren Projekten eine Lead-Position ein“, bekräftigt Füchsel. Die Vision liegt darin, aus von Thüringen aus ein sicheres Quantum Kommunikationsnetz für Deutschland und Europa zu entwickeln. Eine Kooperation mit Singapur gibt es bereits. Kurzum: Thüringen verfügt über das passende Ökosystem, um an Innovationskraft zuzulegen und die zweite Quantenrevolution voranzutreiben, nicht zuletzt über die Fachtagung Quantum Photonics.

Parallelveranstaltung rapid.tech 3D

Die rapid.tech 3D, Leitmesse der AM-Industrie (Additive Manufacturing), findet parallel zur Quantum Photonics vom 13. bis 15. Mai 2025 statt. Da der Bereich der Additiven Fertigung insbesondere für viele optisch basierte Quantentechnologien Anwendung findet, wird die Verzahnung beider Kongress-, Foren- und Netzwerkbereiche Synergien für Aussteller und Besucher bringen.

Weitere Informationen zum Thema:

Messe Erfurt
Kongressprogramm der Quantum Photonics im Überblick sowie Tickets für den Fachkongress mit Ausstellung

[datensicherheit.de, 15.09.2022] Utimaco warnt in einer aktuellen Stellungnahme davor, dass die heute zur Verschlüsselung benutzten Algorithmen sich bald als zu schwach erweisen könnten – sobald nämlich sogenannte Quantencomputer praxistauglich werden. „Daher kommt es jetzt darauf an, Algorithmen und Hardware zu entwickeln, die auch diesen leistungsfähigen Superrechnern standhalten“, lautet die entsprechende Empfehlung.

NIST-Empfehlung für vier quantensichere Algorithmen

Die US-Bundesbehörde National Institute of Standards and Technology (NIST) habe bereits vor einigen Jahren einen Prozess zur Definition bzw. Bewertung von quanten-resistenten Algorithmen eingeleitet. Die potenziellen Kandidaten seien in verschiedenen Runden ausgewählt worden. „Insgesamt wurden mehr als 80 Algorithmen vorgeschlagen, wovon einige bereits recht früh ausschieden.“

Grund dafür war demnach, dass mathematisch Angriffe für Quantencomputer entwickelt wurden, welche die Algorithmen brechen oder stark schwächen konnten. Aktuell habe das NIST die dritte Runde des Evaluationsprozesses abgeschlossen. Ergebnis dessen sei die Empfehlung von vier Algorithmen, welche als „quantensicher“ angesehen werden könnten.

Zeit drängt: Quantencomputer könnten schon bald Realität werden

Der Begriff „Quantencomputer“ klinge zunächst etwas nach Science Fiction oder ganz ferner Zukunft. Doch sie könnten schon sehr bald Realität werden. In einer ad hoc Utimaco-Umfrage unter Kunden hätten 64 Prozent der Teilnehmer angegeben, dass sie reale Bedrohungen durch Quantencomputer innerhalb der nächsten fünf bis neun Jahre erwarteten.

35 Prozent dieser Umfrageteilnehmer hätten daher bereits damit begonnen, Post-Quanten-Kryptographie in ihrem Unternehmen einzuführen. Tatsächlich werde es dafür höchste Zeit: „Werden heute beispielsweise selbstfahrende Autos entwickelt, die zehn und mehr Jahre im Verkehr bleiben sollen, müssen diese über Verschlüsselungen verfügen, die auch in einer Zukunft mit Quantencomputern sicher bleiben.“

Weitreichende Konsequenzen des Brechens nicht- quantensicherer Algorithmen

Werde es versäumt, die Kommunikation eines Fahrzeugs adäquat abzusichern, drohe die Gefahr, dass Kriminelle sich Zugang verschaffen und die Kontrolle über die Autos übernehmen könnten. „Was das für die Insassen bedeuten könnte, möchte man sich nicht vorstellen.“ Doch auch an anderer Stelle könnte es zu weitreichenden Problemen kommen.

Immer mehr Dokumente und Verträge würden heute elektronisch signiert, statt auf Papier unterschrieben. Hinter der elektronischen Signatur stehe allerdings auch ein kryptographischer Prozess, welcher auf die Integrität der verwendeten Algorithmen angewiesen sei. „Falls ein Algorithmus gebrochen wird, hätten alle damit getätigten Signaturen schlagartig keine Beweiskraft mehr.“ Um das zu verhindern, sollten Unternehmen und Institutionen frühzeitig damit beginnen, wichtige digitale Dokumente zu re-signieren. Durch diese erneute Signatur mit einem quantensicheren Algorithmus werde der Beweiserhalt für die Zukunft sichergestellt.

Welt, in der Quantencomputer existieren, aber keine dafür ausgelegten Algorithmen, als beunruhigende Vorstellung

Neben den digitalen Signaturen seien auch Identifikations- und Authentifikationsprozesse im Netz auf sichere Algorithmen angewiesen, um Zugangsdaten zu verschlüsseln. „Kriminelle, die diese Verschlüsselung brechen könnten, hätte ganz neue Möglichkeiten des Identitätsdiebstahls.“ Eine Welt, in der zwar Quantencomputer existierten, aber keine dafür ausgelegten Algorithmen, wäre also eine beunruhigende Vorstellung.

Utimaco rät abschließend: „Unternehmen sollten sich bereits heute so aufstellen, dass sie für den Wechsel zu quantensicheren Algorithmen bereit sind, wenn dies nötig wird.“ Dazu gehöre unter anderem, auf der Hardware-Seite aufzurüsten und Hardware-Sicherheitsmodule anzuschaffen, „die mit den neuen Algorithmen und komplexeren Schlüsseln umgehen können“. Diese Investition sei das ideale Risikomanagement: „Sobald der Fall eintritt, dass Quantencomputer öffentlich verfügbar sind, können Unternehmen ihre Systeme schnell upgraden.“ Müssen sie allerdings dann erst von null anfangen, könne es eventuell zu spät sein – die Migrationszeit sollte man keinesfalls unterschätzen.

Weitere Informationen zum Thema:

datensicherheit.de, 19.07.2022
Quanten-Kryptographie könnte Ende der Lauschangriffe bedeuten / Abhör- sowie Manipulationsversuche beeinflussen Daten auf Quantenebene

datensicherheit.de, 03.11.2019
Schutz gegen Quantencomputer: Wettrüsten gestartet / Unternehmen sollten sich bereits heute mit dem Thema auseinandersetzen und quantensichere Datenverschlüsselung einleiten

datensicherheit.de, 28.10.2019
Quantencomputer bedrohen Absicherung vernetzter Systeme / Google hat Start für neues Computerzeitalter gesetzt

datensicherheit.de, 02.07.2019
utimaco: Standardsetzung für quantensichere Kryptographie / Vernetzte Geräte, Daten und Kritische Infrastrukturen langfristig vor möglichem Quantencomputer-Angriff schützen

[datensicherheit.de, 19.07.2022] Quantencomputer könnten in einigen Jahren unsere heutigen, konventionellen Verschlüsselungen knacken – als Gegenmaßnahme forschen Wissenschaftler deshalb seit Jahren daran, eben ein nicht-knackbares Verschlüsselungssystem zu entwickeln. „Und diese Forschung zeigt bereits erste Erfolge. Beispielsweise hat Google mit ,Sycamore‘ einen Prozessor entwickelt, der das Herzstück eines Quantencomputers mit 53 Qubits bildet“, berichtet Patrycja Schrenk, IT-Sicherheitsexpertin und Geschäftsführerin der PSW GROUP.

Foto: PSW GROUP

Patrycja Schrenk: Erfolge und Entwicklungen der vergangenen Jahre zeigen, dass es gilt, sich vorzubereiten!

Abhörversuche auf quanten-kryptisch verschlüsselten Kanälen fallen direkt auf

Während traditionelle Verschlüsselungssysteme auf Mathematik basierten, basiere die Quanten-Kryptographie auf physischen Eigenschaften. Damit eröffne die Quanten-Kryptographie neue Möglichkeiten: Finden Abhörversuche auf quanten-kryptisch verschlüsselten Kanälen statt, fielen diese direkt auf. Denn etwaige Abhör- sowie Manipulationsversuche beeinflussten die Daten auf Quantenebene und -verfahren machten diese Einflüsse messbar.

„Die Quanten-Kryptographie nutzt Elementarteilchen und Photonen, um mit ihren wesentlichen Eigenschaften ein unknackbares Verschlüsselungssystem zu schaffen. Das ist damit zu begründen, dass der Quantenstatus eines Systems nicht messbar ist, ohne es dabei zu beeinflussen. In der Folge können Abhör- sowie Manipulationsversuche einfach nicht unentdeckt bleiben“, erläutert Schrenk.

Quanten-Verschlüsselung funktioniert bisher unter Laborbedingungen

Dass Quanten-Verschlüsselung funktioniert, hätten neben IBM – Ende 2021 stellte das Unternehmen mit „Eagle Chip“ einen Quantenprozessor mit 127 Qubits vor – auch andere Forscher bewiesen. Jedoch habe es sich um Versuche unter Laborbedingungen und über recht kurze Distanzen hinweg gehandelt: So sei es im Sommer 2015 der Universität Genf in Zusammenarbeit mit dem Hersteller Corning gelungen, eine Distanz von über 300 Kilometern zu überwinden. Wenig später, im Jahr 2018, sei die Überwindung einer Strecke von 421 km gelungen.

„Dass der Quantentechnologie die Zukunft gehört, beweist auch die Tatsache, dass die Entwickelnden des freien SSH-Frameworks ,OpenSSH‘ ab Version 9.0 den Schlüsselaustausch gegen Angriffe durch Quantencomputer abgesichert haben“, so Schrenk. Dafür hätten sie eine „Streamlined NTRU Prime“ genannte Methode implementiert. Als quelloffenes Public-Key-Kryptosystem nutze „NTRU“ gitterbasierte Kryptographie zum Ver- bzw. Entschlüsseln von Informationen.

Verfahren der Post-Quanten-Kryptographie auf klassischer Hardware zu implementieren

Vorreiter der Quanten-Kryptographie gebe es bereits: Die sogenannte Post-Quanten-Kryptographie. Schrenk führt aus: „Mit Post-Quanten-Kryptographie werden Bemühungen bezeichnet, quanten-sichere Krypto-Verfahren, also Verfahren die sich nicht durch Quantencomputer brechen lassen, zu standardisieren. Das ,Post-Quantum Cryptography Projekt‘ ist beispielsweise eine dieser Standardisierungsaktivitäten im Sektor der quantencomputer-resistenten Kryptographie.“

Es sei 2016 vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology initiiert, allerdings sei der ganz große Durchbruch bisher noch nicht gelungen. Schrenk sieht dennoch Potenzial: „Verfahren der Post-Quanten-Kryptographie lassen sich entgegen zur Quanten-Kryptographie auf klassischer Hardware implementieren.“

Quantencomputer und Post-Quantum-Kryptoverfahren derzeit noch nicht für praktische Anwendung

Damit sei sowohl der praktische Einsatz von Quanten-Kryptographie als auch Quantencomputern noch Zukunftsmusik. Wie lange noch, werde sich zeigen. Denn experimentelle Quantencomputer seien bereits in verschiedenen Forschungseinrichtungen gebaut worden. Tech-Giganten wie IBM, Google, Microsoft und Infineon hätten längst Physiker, Mathematiker oder Informatiker angeworben, um erste kommerzielle Quantencomputer entwickeln zu können.

„Kommerziell wurde die Technologie bis dato noch nicht genutzt – sowohl Quantencomputer als auch die Post-Quantum-Kryptoverfahren befinden sich derzeit nicht auf einem Stand, der die praktische Anwendung erlaubt. Dennoch zeigen die Erfolge und Entwicklungen der vergangenen Jahre, dass es gilt, sich vorzubereiten. Es müssen dringend Verfahren, die sich nicht durch Quantencomputer brechen lassen, gefunden werden“, betont Schrenk abschließend.

Weitere Informationen zum Thema:

PSW GROUP, Marek Röhner, 21.06.2022
IT-Security / Quantenkryptografie einfach erklärt

[datensicherheit.de, 21.02.2014]  Physikern aus Saarbrücken und Cambridge (Großbritannien) ist ein wichtiger Schritt bei der Grundlagenforschung neuer Informationstechnologien gelungen. Bei der Quanteninformation spielen Diamanten eine wichtige Rolle. Diese im Labor hergestellten Diamanten sind bis auf eine gewollte Verunreinigung hochrein. In diesen Einschlüssen, die üblicherweise aus der Kombination einer Fehlstelle im Diamantgitter und einem Verunreinigungsatom bestehen, ist es möglich, den Zustand von Elektronen gezielt zu verändern und so Informationen zu speichern. Die Übertragung der Information geschieht mit Lichtteilchen (Photonen). Die Forscherteams um den Saarbrücker Professor für Quantenoptik, Christoph Becher, und Professor Mete Atatüre von der University of Cambridge haben nun gezielt ein Fehlstellen-Zentrum mit Silizium hergestellt und detailliert untersucht. Das resultierende Zentrum besitzt sehr gute optische Eigenschaften und ist daher prinzipiell hervorragend geeignet, um Informationen zu übertragen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse in den renommierten Fachzeitschriften „Physical Review Letters“ sowie „Nature Communications“ publiziert.

„Für unsere Arbeiten brauchen wir Diamanten, die einen speziellen Einschluss, genauer gesagt, einen Defekt aufweisen“, erklärt Christoph Becher, Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes. „Dieser besteht oft aus einem Stickstoffatom und einer angrenzenden Leerstelle in der Gitterstruktur des Diamanten. Diese Kombination wird auch Farbzentrum genannt.“ Bestrahlt man die Diamanten nun mit einem Laser, beginnen die Farbzentren Licht auszusenden – ebenso wie es Atome tun. „Dieses Licht trägt Informationen über den internen Zustand des Farbzentrums mit sich.“, sagt Becher weiter. So können die Wissenschaftler gezielt Informationen von einem Quantensystem auf ein anderes übertragen. Zusätzlich kann im Zustand der Elektronen des Farbzentrums Information lokal gespeichert werden. Diese Technologie ist beispielsweise Grundlage für den so genannten Quantencomputer, der um ein Vielfaches schneller und effizienter rechnet als heutige Computer – in der Theorie.

Praktisch hat das Stickstoff-Farbzentrum jedoch einen entscheidenden Nachteil: Seine optischen Eigenschaften sind alles andere als optimal. In der Praxis bedeutet das, dass in den meisten Fällen die die Information, die aus den Stickstoff-Farbzentren im Diamant übertragen werden sollte, unterwegs verloren geht.

In der nun publizierten Studie haben die Wissenschaftler statt des Stickstoffs Siliziumatome als Verunreinigung im Diamant verwendet. Die optischen Eigenschaften des resultierenden Silizium-Farbzentrums sind deutlich vielversprechender. Jedoch waren die elektronischen Eigenschaften bislang unklar. In Zusammenarbeit mit den theoretischen Physikern Adam Gali aus Ungarn und Jeronimo Maze aus Chile haben die Forscher zunächst ein theoretisches Modell entworfen, das die atomaren Wechselwirkungen erklärt. Diese theoretischen Ansätze konnten auf Basis gemeinsamer Experimente mit der Universität Cambridge nun überprüft und verfeinert werden. Für die Experimente wurden Diamanten verwendet, die eigens von Wissenschaftlern aus Innsbruck und Augsburg produziert wurden.

Christian Hepp, Erstautor des Artikels und Mitarbeiter von Christoph Becher, erklärt, was das bedeutet: „Die Lichtteilchen aus dem Silizium-Fehlstellen-Zentrum besitzen ein deutlich saubereres Spektrum und ermöglichen es so, die gespeicherte Information effizient und mit hoher Güte zu übertragen.“

Die Experimente in Cambridge und Saarbrücken haben zugleich den Grundstein für die gezielte Manipulation der elektronischen Zustände gelegt. Damit haben die Wissenschaftler einen wichtigen Schritt in Richtung Quanteninformationsverarbeitung mit diesen Farbzentren vollzogen. Die Informationsübertragung mit dieser Technologie ist aber nicht nur für das Quantencomputing interessant. Die optischen Eigenschaften der Silizium-Farbzentren könnten auch mikroskopisch kleine Sensoren ermöglichen, die zum Beispiel in den Lebenswissenschaften zum Einsatz kommen können und aufklären könnten, was in Zellen auf atomarer Ebene vor sich geht.

Weitere Informationen zum Thema:

nature ommunications, 18.02.2014
Optical signatures of silicon-vacancy spins in diamond

Physical Review Letters, 24.01.2014
Electronic Structure of the Silicon Vacancy Color Center in Diamond