Technologien für die Ära der Quantencomputer

Headergrafik Innovation Quantencomputer

Vor wenigen Jahren galten sie als Wundermaschinen – inzwischen rückt ihr Einsatz näher: Quantencomputer versprechen exponentielle Leistungssteigerungen gegenüber klassischen Rechnern. Die Bundesdruckerei erforscht die Potenziale der neuen Computergeneration und entwickelt Verfahren, die bestehende Systeme vor ihrer Rechenmacht schützen.

Rechnen zwischen null und eins

Noch spielt sich die Diskussion in Fachkreisen ab, doch bald dürften Quantenrechner praktische Relevanz besitzen. Die Computergeneration der Zukunft macht sich die Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik zunutze und lässt die binären Systeme hinter sich. Während beim klassischen Rechner jedes Bit entweder den Wert null oder eins annimmt, kennen Quantenrechner mit dem Prinzip der Überlagerung (Superposition) eine ganze Reihe weiterer Zustände. Das Verhalten von Teilchen, das den Quantentechnologien zugrunde liegt, mag zwar die Grenzen des intuitiv Vorstellbaren sprengen – hat aber Implikationen von großer Tragweite. Denn die Funktionsweise der Quantencomputer ermöglicht zahlreiche simultane Rechenprozesse und damit die Bewältigung bisher unlösbarer Aufgaben in kürzester Zeit.

Quantenvorteile und Sicherheitsrisiken

In der Leistungsfähigkeit der Quantenrechner liegen große Chancen, verschiedenartigste komplexe Probleme zu lösen – von der Personaleinsatzplanung über die Optimierung von Energienetzen bis hin zur Materialsimulation. Zugleich birgt der Quantencomputer Risiken für bestehende Sicherheitsverfahren: Mit der quantenbasierten Rechenpower sind etablierte Verschlüsselungen gefährdet, die bislang praktisch nicht zu brechen waren. Wo selbst ein – klassisch arbeitender – Supercomputer für simples „Durchprobieren“ von Verschlüsselungen Hunderttausende Jahre bräuchte, könnte ein Quantenrechner sie in kürzester Zeit knacken. Darauf gilt es klassische Sicherheitssysteme vorzubereiten.

 

Förderprojekt PlanQK: quantengestützte KI (QKI) erschließen

Bislang sind Quantencomputer selten. Da ihre Nutzung sich grundsätzlich von klassischen Rechnern unterscheidet und hoher Spezialisierung bedarf, bleibt ihre Anwendung zurzeit wenigen Experten vorbehalten. Im PlanQK-Projekt entsteht eine Plattform, die Expertise zusammenführt und Nutzern den Zugang zu quantengestützten KI-Anwendungen erleichtert. Damit sollen auch mittelständische Unternehmen, die keine eigenen Kompetenzen für Quantencomputer und künstliche Intelligenz aufbauen können, von den neuen Technologien profitieren.

Die Plattform bietet den Adressaten fachliche Unterstützung und stellt ihnen spezifische Algorithmen und Applikationen bereit. Darüber hinaus werden Nutzer den Zugriff auf Quantenrechner-Kapazitäten erhalten. Seit 2021 existiert mit dem Quantencomputer IBM Q System One am IBM-Sitz nahe Stuttgart der erste Rechner seiner Art auf europäischem Boden. Auch den Partnern von PlanQK stehen Rechenkapazitäten dieses Quantencomputers offen.

Sicherheitsbaustein für Quantenrechner

Ein Schwerpunkt im PlanQK-Projekt ist der „Sicherheitsbaustein für digitale Ökosysteme“. Ziel ist es, zukünftige Identitätssysteme durch die Nutzung von Quantentechnologien vor Angriffen zu schützen. Auf Basis quantenmechanischer Gleichungen und Prinzipien werden kryptografische Verfahren untersucht, um zu lernen, wie QKI in die Sicherheitskonzepte integriert werden kann – etwa für die Anomalie-Erkennung. Die Bundesdruckerei erforscht, wie Daten sich durch eine optimale Strukturierung und Aufbereitung möglichst gut auf die Funktionsweise von KI und Quantenrechnern zuschneiden lassen.

Viele Forschungserkenntnisse haben immense nützliche Nebeneffekte für Industrie und Wissenschaft. So auch bei Quantencomputern: Sie sind hochempfindlich – man muss sie extrem kühlen und sicherstellen, dass die Teilchen nicht mit dem Gehäuse oder elektrischen Feldern interagieren. Gleichzeitig entstehen neue Software-Konzepte für Q-Rechner. Insgesamt lernen wir viel auch für klassische Technologien – von der effizienten Halbleitergestaltung über die Abschirmung von Feldern bis hin zu klassischen Algorithmen, die man oft auch ganz anders und viel effizienter konzipieren kann als gewohnt.
Dr. Manfred Paeschke, Bereichsleiter Innovations, Bundesdruckerei GmbH

Förderprojekt PlanQK

Das Projekt PlanQK entwickelt eine Plattform für die quantengestützte künstliche Intelligenz (QKI). Neben dem fachlichen Austausch soll die Plattform insbesondere mittelständischen Anwendern Zugang zu QKI-Anwendungen ermöglichen.

    Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Projekt ist angesiedelt im Innovationswettbewerb „Künstliche Intelligenz als Treiber für volkswirtschaftlich relevante Ökosysteme“.

    Laufzeit: 1.1.2020–31.12.2022

    Unter Koordination der StoneOne AG arbeitet die Bundesdruckerei GmbH mit folgenden Partnern zusammen:

    • Universität Stuttgart
    • FU Berlin
    • Ludwig-Maximilians-Universität München
    • Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS
    • Accenture Dienstleistungen GmbH
    • DB Systel GmbH
    • d-fine GmbH
    • FCE Frankfurt Consulting Engineers GmbH
    • HQS Quantum Simulations GmbH
    • Planerio GmbH
    • regio iT gesellschaft für informationstechnologie mbH
    • Telekom Innovation Laboratories (T-Labs)
    • TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG
    • DB Systemtechnik GmbH
    • Smart Reporting GmbH
    • VIRALITY GmbH
    • Komm.ONE AöR

    Das Projekt erkundet Anwendungsfelder, in denen Wirtschaft und Verwaltung die Quantentechnologien praktisch nutzbar machen können. Dazu zählen unter anderem:

    • Anomalie-Erkennung in der Netzwerkkommunikation    
    • Erkennung von Anomalien und Betrug in Finanztransaktionen
    • Kommunale Register
    • Modellierung von Energienetzen – Versorgungsqualität durch Speicheranordnung
    • Scheduling und Dienstplanoptimierung
    • Routenplanung
    • Vorhersage von Material- und Prozesseigenschaften

    Kooperation mit dem CERN: Grundlagenforschung trifft IT-Sicherheit

    Seit 2019 steht die Bundesdruckerei GmbH in einem engen interdisziplinären Austausch mit Wissenschaftlern des CERN in Genf. Im Fokus steht insbesondere die Frage, wie sich Erkenntnisse aus der Quantenphysik auf IT-Systeme übertragen lassen. So könnten neuartige Verfahren bei der Generierung kryptografischer Schlüssel das quantenmechanische Prinzip der „Verschränkung“ nutzen.

    PoQuID: Postquantum-Kryptografie

    Die sogenannte Postquantum-Kryptografie besitzt für nahezu alle Lebensbereiche Relevanz – vom Personalausweis über die E-Mail-Kommunikation bis hin zum Online-Banking, von der Telemedizin bis zu Zutrittssystemen. Schließlich wird ein Großteil der klassischen Systeme auch in Betrieb bleiben, wenn die ersten Quantenrechner im Alltag angekommen sind und zu potenziell mächtigen Angriffen genutzt werden könnten.

    Vom Kryptobaustein bis zum Gesamtsystem

    Kryptografische Verfahren haben eine lange Vorlaufzeit. Daher beschäftigen sich die Forscher der Bundesdruckerei seit mehreren Jahren mit quantenresistenten Verschlüsselungsverfahren. Im 2015 gestarteten Projekt PQCRYPTO wurden gemeinsam mit renommierten europäischen Universitäten und Industriepartnern mehrere Verschlüsselungsbausteine entwickelt, die ihre Robustheit gegenüber quantengestützten Attacken belegen konnten.

    In der Welt von übermorgen werden für sichere Identitäten andere Methoden und Produkte gefragt sein als heute. Nur wenn wir uns vorausschauend engagieren, finden wir die richtigen Antworten.
    Dr. Manfred Paeschke, Bereichsleiter Innovations, Bundesdruckerei GmbH

    Quantenresistente Kryptografie für ID-Systeme

    Im PoQuID-Projekt bauen die Innovatoren auf den Grundlagenarbeiten von PQCRYPTO auf. Es werden Sicherheitsverfahren erprobt, die mit etablierten Strukturen kompatibel sind, und quantenresistente Verschlüsselungen implementiert. Demonstratoren überprüfen die Sicherheit der kryptografischen Verfahren bei Personalausweis und Dokumentenprüfgerät.

    Der Projektauftrag umfasst die Mitwirkung in relevanten Standardisierungsgremien wie DIN, ISO oder ICAO. „Jedes Identitätsdokument muss international anerkannten Protokollen entsprechen. Ein hochsicherer Reisepass soll schließlich nicht nur in Deutschland funktionieren, sondern auch an der argentinischen Grenze ausgelesen werden können“, so Dr. Manfred Paeschke, Bereichsleiter Innovations, Bundesdruckerei GmbH

    Förderprojekt PoQuID

    Ziel des Projekts ist die Entwicklung praktisch nutzbarer Post-Quantum-Kryptoverfahren für hoheitliche Dokumente.

    Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Programms „WIPANO – Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen“

    Laufzeit: 1.1.2020–31.12.2021

    • Analyse, Auswahl und Entwicklung praktisch nutzbarer Post-Quantum-Kryptoverfahren
    • Implementierung auf Smartcards
    • Anwendung im hoheitlichen Kontext (maschinenlesbare Reisedokumente, eID)
    • Einbringen der Ergebnisse in nationale und internationale Standardisierung
    • Signifikante Performanzverbesserung z. B. für Chipkarten, IoT, mobile Geräte
    • Bundesdruckerei GmbH
    • Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC
    • Infineon Technologies AG

    Weitere Innovationsprojekte

    Headergrafik Innovationen SSI

    SSI: Datensouveränität in der digitalen Welt

    Um Digitalisierungspotenziale zu erschließen und zugleich Daten und Identitäten der Menschen zu schützen, entwickelt die Bundesdruckerei sichere und vertrauenswürdige Infrastrukturen.

    optimos

    OPTIMOS

    Smartphones für digitale Dienstleistungen nutzen, um dort anwendungsspezifische Daten sicher abzulegen. Damit beschäftigte sich das Projekt OPTIMOS.