Definition PQC Was ist Post-Quanten-Kryptographie?

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Die Post-Quanten-Kryptographie ist ein Teilgebiet der Kryptographie und beschäftigt sich mit der Entwicklung und Standardisierung sicherer Ver­schlüs­sel­ungsverfahren, die auch unter Einsatz von Quantencomputern nicht zu brechen sind.

Die englische Bezeichnung für Post-Quanten-Kryptographie lautet Post-Quantum Crypto­gra­phy, abgekürzt PQC. Post-Quanten-Kryptographie wird auch als quantencomputerresistente Kryptographie bezeichnet. Sie ist ein Teilgebiet der Kryptographie und beschäftigt sich mit der Entwicklung sicherer kryptographischer Verfahren, die auch unter Einsatz von Quanten­com­pu­tern nicht zu brechen sind. Post-Quanten-Kryptographie geht von der Annahme aus, dass in einigen Jahren leistungsfähige Quantencomputern verfügbar sein werden. Diese besitzen so hohe Rechenleistung, dass die heute im Computer- und Internetumfeld verwendeten asym­me­tri­schen Kryptosysteme nicht mehr sicher sind.

QKD-Verfahren

Was ist Quantenkryptographie?

Schon heute könnte beispielsweise per SSH, TLS, IPSec, S/MIME oder mit anderen Verfahren und asymmetrischen Schlüsseln verschlüsselter Datenverkehr mitgelesen, auf Vorrat ge­spei­chert und mit zukünftig verfügbaren Quantenrechnern und Algorithmen wie dem Shor-Algo­rith­mus entschlüsselt werden. Damit wären die mit heutigen Verfahren verschlüsselten Daten nicht mehr sicher und in einigen Jahren lesbar. Die Sicherheit aktueller symmetrischer Ver­schlüs­sel­ungs­verfahren ist von Quantencomputern nicht so stark bedroht, wäre aber auch reduziert. Durch die Verwendung längerer Schlüssel für die symmetrische Verschlüsselung lässt sich dieses Sicherheitsdefizit ausgleichen. Post-Quanten-Kryptographie ist auf klassischer Computerhardware einsetzbar und basiert im Gegensatz zur Quantenkryptographie nicht auf der Quantenphysik, sondern nach wie vor auf mathematischen Verfahren. Es werden allerdings andere mathematische Verfahren als für die aktuell gängige klassische Kryptographie ver­wendet. Für die Post-Quantum Cryptography sind keine Quantencomputer notwendig.

Mittlerweile existieren verschiedene Initiativen der Standardisierung der quantencomputerresistenten Kryptographie. In diesem Umfeld ist beispielsweise das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) aktiv. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) empfiehlt, so früh wie möglich die verfügbaren quantencomputerresistenten Verfahren einzusetzen, um der Gefahr, dass verschlüsselte Daten bereits heute auf Vorrat gesammelt und zu einem späteren Zeitpunkt von Quantencomputern entschlüsselt werden, entgegenzuwirken.

Aufforderung des BSI

Die Zeit ist reif für Post-Quanten-Kryptographie

Wie funktioniert Post-Quanten-Kryptographie?

Zahlreiche verschiedene Verfahren und Algorithmen werden für die quantencomputersichere Kryptographie entwickelt, erforscht und standardisiert. Zu diesen Verfahren zählen:

• komplexe mehrdimensionale mathematische Gitter

• multivariante Polynome (zum Beispiel quadratische Gleichungssysteme mit mehreren Variablen)

• kollisionsresistente Hash-Funktionen

• Isogenien zwischen elliptischen Kurven

• symmetrische Verfahren mit langen Schlüsseln

Post Quanten Kryptographie arbeitet mit mathematischen Problemen, die sich selbst mit den effizientesten bekannten Quantenalgorithmen nicht praktikabel lösen lassen. Ein PQC-Ver­fahr­en erzeugt Schlüsselpaare und Signaturen anhand solcher schwer lösbaren Strukturen und macht damit Angriffe, die bei RSA oder ECC in Zukunft erfolgreich wären, rechnerisch un­mög­lich. Da diese Verfahren auf herkömmlicher Hardware laufen und keine quanten­phy­si­ka­li­schen Komponenten benötigen, können sie direkt in bestehende Protokolle integriert werden. Beim Schlüsselaustausch oder bei digitalen Signaturen ersetzt der PQC Algorithmus lediglich die verwundbaren klassischen Bausteine, während der Rest des Kommunikationsprotokolls un­ver­ändert bleibt. So lassen sich quantensichere Verbindungen aufbauen, ohne die gesamte Infra­struktur neu gestalten zu müssen.

Security-Insider Podcast – Folge 99

Steht uns der Q-Day bevor?

Standards der Post-Quanten-Kryptographie

Die Standardisierung der Post-Quanten-Kryptographie wird international vor allem vom US-amerikanischen NIST vorangetrieben, das seit 2022 erste Algorithmen ausgewählt hat. Für den Schlüsselaustausch gilt CRYSTALS Kyber als künftiger Standard, während digitale Signaturen durch CRYSTALS Dilithium, Falcon oder das hashbasierte Verfahren SPHINCS+ abgedeckt wer­den. CRYSTALS steht für Cryptographic Routines for Yet Smarter Top Algorithms with Lattice Structures und SPHINCS+ steht für Stateless Practical Hash-based INcredibly Compact Sig­na­tures. Diese PQC-Verfahren lassen sich in bestehende Protokolle wie TLS, VPN oder E-Mail-Systeme integrieren und werden schrittweise in Betriebssysteme, Browser und Hardware eingebettet. Viele Unternehmen setzen während der Übergangsphase auf hybride Verfahren, die klassische und quantensichere Kryptografie kombinieren, um sowohl gegen aktuelle als auch gegen zukünftige Angriffe geschützt zu sein.

Vorbereitung auf das Quantencomputing

NIST veröffentlicht Post-Quantum-Kryptographie-Standards

Abgrenzung zur Quantenkryptographie

Während die Post-Quanten-Kryptographie sich darum bemüht, quantencomputersichere, auf heutiger Computerhardware einsetzbare Verfahren zu erforschen und zu standardisieren, be­schäftigt sich die Quantenkryptographie mit Kryptographieverfahren, die auf quanten­me­cha­ni­schen Effekten und nicht auf mathematischen Algorithmen basieren. Quantenkryptographie nutzt die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik und quantenmechanische Effekte wie Kohä­renz und Verschränkung. Sie verwendet neue Hardware und Protokolle. Quantencomputer sind für die Quantenkryptographie allerdings nicht zwingend erforderlich. Ein bekanntes und bereits praktisch eingesetztes Verfahren der Quantenkryptographie ist der Quantenschlüssel­aus­tausch (Quantum-Key-Distribution, QKD). Als Informationsträger kommen beim Quanten­schlüs­sel­austausch Elementarteilchen wie in verschiedene Richtungen polarisierte und über einen Quantenkanal übertragene Photonen zum Einsatz. Das unbefugte Abhören ist sicher erkennbar, da das Belauschen aufgrund der Quanteneffekte die Daten beeinflusst. Die Quan­tenkryptographie gilt als sehr sicher und bietet eine Alternative zu nicht quanten­com­pu­ter­sicheren Verfahren wie dem Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch.

Quantensichere Kryptografie

Maßnahmen gegen „Harvest Now, Decrypt Later“-Attacken

Risiken und Ausblick

Trotz erheblicher Fortschritte steht die praktische Umsetzung von PQC erst am Anfang. Größere Schlüssel und Signaturen können die Performance beeinträchtigen und führen zu Heraus­for­der­ungen in IoT, Mobilgeräten und Bandbreiten sensiblen Umgebungen. Zudem besteht das Risiko, dass neue Verfahren noch unbekannte Schwachstellen aufweisen, da sie anders als RSA oder ECC keine jahrzehntelange Reifezeit hatten. Unternehmen müssen daher ihre Kryp­to­gra­fie inventarisieren, hybride Übergangslösungen einführen und Systeme rechtzeitig auf PQC vorbereiten, um der Gefahr langfristig gespeicherter und später entschlüsselbarer Daten zu begegnen. PQC gilt als entscheidender Schritt in eine quanten­si­chere Zukunft, erfordert jedoch sorgfältige Planung und kontinuierliche Anpassung.

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