Die Quantenrevolution kommt – ist dein Unternehmen vorbereitet?
Warum du jetzt auf quantensichere E-Mail-Verschlüsselung umsteigen solltest
Von: Hanna Bozakov
Quantencomputer können heutige Verschlüsselung noch nicht knacken – aber Cyberkriminelle sammeln bereits Daten, um sie später zu entschlüsseln. Die Zeit für quantensichere Lösungen ist jetzt.
Die Entwicklung im Quantencomputing geht gerade mit großen Schritten voran. Erst im März hat Google angekündigt, bis 2029 quantensicher unterwegs sein zu wollen – und als einer der Hauptinvestoren im Bereich Quantencomputing ist Google sicher eines der Unternehmen, die am besten einschätzen können, wie nah wir am Durchbruch sind. Doch was können Quantencomputer heute – und wie werden sie unsere sicheren Kommunikationswege im Internet verändern? Eine Analyse.
Das Wichtigste zuerst: Stand heute gibt es keine Quantencomputer, die derzeit gängige Verschlüsselungsverfahren wie AES, RSA oder ECC brechen können. Aber: Niemand weiß ganz genau, wann sich das ändern wird.
Quantencomputer: Qubits statt Bits
Eine neue, vielversprechende Generation von Demonstratoren, die mit Quantenchips laufen, wurde in den letzten drei Jahren veröffentlicht, zuerst Condor von IBM mit über 1.000 Qubits, dann Willow von Google, Majorana-I und Majorana-II von Microsoft sowie Ocelot von Amazon. Mit jeder Veröffentlichung eines neuen Demonstrators werden die Berechnungen, die darauf laufen können, stabiler und weniger fehleranfällig.
Denn genau darin liegt die Herausforderung bei Quantencomputern, dafür zu sorgen, dass die Demonstratoren stabil und ohne große Fehleranfälligkeit skaliert werden können. Quantenchips funktionieren anders als klassische Computerchips – sie arbeiten nicht mit klassischen Bits mit dem eindeutigen Status 0 oder 1, sondern ihre Qubits nehmen eine Superposition von 0 und 1 gleichzeitig ein, können so anders rechnen und andere Algorithmen zur Berechnung nutzen. Daher bringen sie auch andere Herausforderungen mit sich.
So müssen die Quantenchips extrem gut gekühlt werden, damit Berechnungen stabil ablaufen können. Dennoch macht die Forschung gerade große Fortschritte, die Demonstratoren von Microsoft, Google, IBM und Amazon werden immer stabiler. Sobald die Entwicklerinnen und Entwickler es schaffen, diese zu skalieren, ist zumindest asymmetrische Verschlüsselung basierend auf RSA und ECC hinfällig.
Theorie vs. Realität – wie nah ist die Gefahr?
Ende-zu-Ende-Verschlüsselung etwa von E-Mails basiert auf Algorithmen, die für klassische Computer praktisch nicht zu brechen sind, denn sie würden dafür Tausende von Jahren brauchen. Ein neuer Algorithmus, der sogenannte Shor-Algorithmus, kann diese Probleme jedoch innerhalb weniger Minuten oder Stunden lösen und somit heutige asymmetrische Verschlüsselungen brechen. Peter Shor hat dies bereits in den 90ern theoretisch bewiesen, allerdings kann dieser Algorithmus nur auf einem Quantencomputer laufen. Damit er dann auch unsere Ende zu Ende verschlüsselten E-Mails entschlüsseln kann, muss der Algorithmus auf einem leistungsstarken Quantencomputer mit etwa 20 Millionen Qubits laufen.
Man könnte also denken: Alles super, derzeit sind meine Daten nicht in Gefahr. Aber so einfach ist es nicht. Denn wir versenden ja bereits heute vertrauliche Daten per E-Mail, die auch in zehn oder 20 Jahren noch vertraulich sein sollen. Dies können wir aber nur gewährleisten, wenn wir bereits heute quantensichere Verschlüsselung nutzen. Andernfalls besteht das Risiko, dass Ende zu Ende verschlüsselte E-Mails im Internet abgegriffen und gespeichert werden, mit dem Ziel, diese Daten zu entschlüsseln, sobald Quantencomputer verfügbar sind. Stichwort: Harvest now, decrypt later.
Rettender Anker: Post-Quanten-Verschlüsselung (PQC)
Während es heute noch keine Quantencomputer gibt, brauchen wir diese auch gar nicht, um quantensicher verschlüsseln zu können. Stattdessen müssen wir existierende Verschlüsselungsverfahren mit neuen Algorithmen ausstatten, die unsere Daten gegen Angriffe von Quantencomputern absichern.
Dabei müssen wir uns hauptsächlich die asymmetrische Kommunikation, zum Beispiel verschlüsselte E-Mails oder verschlüsselten Dateiaustausch, anschauen. Symmetrische Verschlüsselung, also das einfache Abspeichern von Daten auf einem Server, kann bereits heute mit dem klassischen Algorithmus AES-256 erfolgen. Dieser Algorithmus gilt als quantensicher, da bisher noch kein Quanten-Algorithmus entdeckt wurde, der diesen brechen kann.
Für asymmetrische Verschlüsselung gibt es seit August 2024 den neuen Algorithmus Kyber (ML-KEM), der vom amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) in mehreren Runden ausgewählt und durch intensives Peer Reviewing für sicher und geeignet zum Schutz gegen Angriffe von Quantencomputern befunden wurde.
PQC in der Praxis: PGP und TutaCrypt
Die Post-Quanten-Kryptografie (PQC) wird derzeit aktiv in den OpenPGP-Standard integriert, um verschlüsselte E-Mails vor zukünftigen Quantencomputern zu schützen. Dieses Protokoll setzt beispielsweise auch Proton Mail zur E-Mail-Verschlüsselung ein. Die Internet Engineering Task Force (IETF) steht kurz vor der Fertigstellung einer Spezifikation zur Einführung quantenresistenter Algorithmen in Pretty Good Privacy (PGP), die die anfälligen klassischen asymmetrischen Verfahren ersetzen sollen.
Quantensichere E-Mail-Verschlüsselung ist außerdem seit 2024 mit TutaCrypt als Open Source verfügbar, welches in einem Forschungsprojekt von Tuta mit der Leibniz Universität Hannover entwickelt wurde. TutaCrypt ist ein quantenresistentes hybrides Verschlüsselungsprotokoll, das den klassischen Algorithmus ECDH X25519 mit dem quantenresistenten Algorithmus ML-KEM kombiniert. Eine solche „doppelte“ Verschlüsselung ist nötig und wird von Kryptografie-Experten, inklusive dem deutschen Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), empfohlen – für den Fall, dass ein anderer Angriffsvektor für den neuen Algorithmus ML-KEM gefunden werden sollte. Frei nach dem Motto: Doppelt hält besser.
Quantenresistente Algorithmen werden derzeit von immer mehr sicheren Kommunikationsanbietern integriert. So bieten beispielsweise die Chat-Apps Signal, Mattermost und Wire bereits Ende-zu-Ende-Verschlüsselung mit quantenresistenten Algorithmen an; Apples iMessage ebenso.
Jetzt migrieren
Bei TutaCrypt hat die Migration von klassischer hin zu hybrider quantenresistenter Verschlüsselung in Gänze sechs Jahre gedauert. Immerhin galt es die Verschlüsselung zu migrieren, ohne existierende, bereits verschlüsselte Daten zu zerstören oder zu verlieren. Dafür waren umfangreiches Testen und Validieren nötig, bevor die Migration dann tatsächlich erfolgen konnte.
Die gute Nachricht: Symmetrisch mit AES-256 verschlüsselt gespeicherte Daten sind bereits quantensicher geschützt. Allerdings muss jegliche asymmetrische Ende-zu-Ende-Verschlüsselung, die Unternehmen heute nutzen, mit den neuen Algorithmen upgedatet werden. Da das Migrationsprojekt nicht Monate, sondern Jahre dauern kann, muss dieses bereits heute starten. Abzuwarten, ob der Durchbruch im Quanten-Computing überhaupt kommt, ist keine Lösung. Nicht zuletzt, weil Google selbst – einer der wichtigsten Player in der Forschung dazu – im März dieses Jahres angekündigt hat, seine Systeme bis 2029 quantensicher machen zu wollen. Dieser Zeithorizont muss also sehr ernst genommen werden.
Denn die Quantenrevolution kommt. Die Frage, die man sich jetzt stellen muss, lautet: Ist mein Unternehmen vorbereitet?
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Über die Autorin: Hanna Bozakov
Hanna Bozakov ist Geschäftsführerin bei Tuta Mail, dem quantensicher verschlüsselten Kommunikationsdienst aus Hannover. Seit 2014 entwickelt sie mit ihrem Team Lösungen für private, sichere Kommunikation und ermöglicht es Nutzern und Unternehmen, die volle Kontrolle über ihre Daten zu behalten.