Technologien für die Ära der Quantencomputer

Die sogenannte Postquantum-Kryptografie besitzt für nahezu alle Lebensbereiche Relevanz – vom Personalausweis über die E-Mail-Kommunikation bis hin zum Online-Banking, den Zutrittssystemen oder der Telemedizin. Schließlich wird ein Großteil der klassischen Computersysteme 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 Forscherinnen und Forscher der Bundesdruckerei GmbH 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.

Quantencomputerresistente Kryptografie für ID-Systeme

Im PoQuID-Projekt bauten die Innovatoren und Innovatorinnen der Bundesdruckerei GmbH auf den Grundlagenarbeiten von PQCrypto auf. Es wurden Sicherheitsverfahren erprobt, die mit etablierten Strukturen kompatibel sind, und quantenresistente Verschlüsselungen implementiert. Die Bundesdruckerei hat dabei den weltweit ersten Demonstrator für einen elektronischen Pass entwickelt, der auch die hohen Sicherheitsanforderungen für die Ära des Quantencomputings erfüllt. Er zeigt eine Lösung für den kontaktlosen Datenaustausch zwischen ePass und Grenzkontrollterminal und hilft so, die auf dem ePass gespeicherten biometrischen Daten zu schützen. Im Kern des Demonstrators arbeitet ein Sicherheitscontroller von Infineon, der die Daten sowohl gegen konventionelle Angriffe als auch gegen Attacken mittels Quantencomputern schützt. Der Demonstrator beruht auf einer quantencomputerresistenten Version des Extended Access Control Protocol (EAC) und sichert damit biometrische Daten bei der Authentifizierung.

Der Projektauftrag umfasste zudem die Mitwirkung in relevanten Standardisierungsgremien wie DIN, ISO oder ICAO.

Ob E-Mail-Kommunikation, digitale Signaturen oder Kryptowährungen – das moderne Leben dreht sich um digitale Daten. Private Informationen werden im digitalen Raum seit vielen Jahrzehnten durch den Einsatz von asymmetrischen kryptographischen Verfahren geschützt. So beeindruckend die Leistungsfähigkeit der neuen Quantencomputer auch ist, stellt sie gleichzeitig eine neue Form der Bedrohung für Verschlüsselungs- und Signaturverfahren bestehender Systeme und die dahinterstehende IT-Infrastruktur dar.

Im Projekt „Full-Lifecycle-Post-Quantum-PKI“ (FLOQI) entwickelte die D-Trust GmbH zusammen mit Partnern eine neue Art der Public Key Infrastruktur (PKI), die resistent gegenüber Angriffen von Quantencomputern ist. Hierfür stellte die D-Trust einen PKI-Mock-up zur Verfügung, mit dem die in dem Projekt und in Schwesterprojekten des gleichen Rahmenprogramms entwickelten PKIs betrieben und Zertifikate für Partner bereitgestellt werden konnten.

Die entworfenen Lösungen wurden dabei auf unterschiedlichen Plattformen aus den Bereichen Automobilbranche, Industrie 4.0 und Finanzwesen umgesetzt und erprobt. Um den Übergang von derzeitigen zu Post-Quanten-Kryptoverfahren so unterbrechungsfrei wie möglich zu gestalten, wird im Projekt der parallele Einsatz und agile Wechsel von aktuellen und neu entwickelten quantencomputerresistenten Verfahren innerhalb einer PKI erforscht und getestet.

Im Austausch mit Schwesterprojekten desselben Rahmenprogramms konnten so Konzepte für kombinierte neuartige Schlüssel (ICA) weiterentwickelt werden und zusammen mit Konzepten wie „Mixed PKI“ in den Demonstratoren getestet werden. Die wichtigste Erkenntnis der verschiedenen Arbeiten ist, dass zukünftige PKI-Architekturen zwingend Agilität für alle Ebenen beachten müssen.

Die erarbeiteten Konzepte fließen in die Standardisierungsarbeiten, z. B. bei DIN, ISO oder IETF, für künftige Standards bereits jetzt ein.

Für Quantencomputing kommen viele Anwendungsbereiche infrage. Es gibt keinen Bereich, der nicht von Quantentechnologien oder -computing profitieren könnte – so auch die öffentliche Verwaltung. Viele Probleme, die sich mit heutigen Rechensystemen nicht oder nur eingeschränkt lösen lassen, können unter Ausnutzung der Quanteneffekte gelöst werden. Der erfolgreiche Einsatz von Quantentechnologien, vor allem in gesellschaftlich relevanten Anwendungsfällen, benötigt dabei eine klare Vision und eine proaktive Auseinandersetzung mit Ergebnissen der Grundlagenforschung.

In dem 2021 gestarteten Projekt Qu-Gov – Quantentechnologien für die Bundesverwaltung – wurden Quantentechnologien in Hinblick auf Anwendungsfälle im hoheitlich-behördlichen Umfeld erforscht und getestet. Die Bundesdruckerei GmbH übernahm dabei die Gesamtkoordination und Leitung der für den Ausbau der Quantentechnologien im Bundesumfeld erforderlichen Forschungsprojekte. Das Projekt setzte auf ein breites Netzwerk von Partnern aus Wissenschaft, Industrie, Start-ups und Verwaltung auf.
Das Projekt umfasste die Bereiche „Quantenanalytik“, „Quantensicherheit“ und „Quantensouveränität“.  Bis Projektende im Dezember 2024 wurden zehn Teilprojekte umgesetzt, 25 Erfindungsmeldungen eingereicht und mehrere wissenschaftliche Review-Paper veröffentlicht. Zudem wurde die internationale Zusammenarbeit in Standardisierungsgremien gestärkt. 

Motiviert durch den Entwicklungsfortschritt und einen wachsenden politischen Fokus auf Quantentechnologien, wie den EU-Quantum-Pakt von 2023 und das Handlungskonzept Quantentechnologien der deutschen Bundesregierung, haben es sich die Beteiligten der Bundesquantenallianz zur Aufgabe gemacht, die Bundesverwaltung auf das Quantenzeitalter vorzubereiten.

Hierbei steht der Aufbau und Austausch von Erfahrungen bundeseigener Unternehmen zu Quantentechnologien im Vordergrund. Sie bilden dabei eine Wissensplattform, auf der sich Quantenexperten und -expertinnen austauschen und gemeinsam notwendiges Know-how für das Quantenzeitalter aufbauen können. Es fließen auch Erfahrungen aus themenverwandten Projekten und Netzwerken mit ein, z. B. das Förderprojekt PlanQK oder das Projekt Qu-Gov. Die Partner führen gemeinsam Forschungsprojekte durch und testen Quantentechnologien auf ihre Industrietauglichkeit hin, um frühzeitig notwendige Erfahrung im Umgang mit Quantenlösungen zu sammeln, z. B. ein Testbed zur Erprobung verschiedener quantensicherer Algorithmen.

Die Bundesquantenallianz bildet somit einen weiteren wichtigen Baustein für das Quanten-ökosystem in Deutschland.

Start: 4.2.2022