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Betrugsprävention

14. März 2024

 

Cyberbedrohungen durch Quantencomputer liegen wahrscheinlich noch Jahre in der Zukunft. Warum – und wie – wir heute daran arbeiten, sie zu stoppen

Zu den Bemühungen von Mastercard gehört ein Pilotprojekt, um zu testen, ob die Quantenschlüsselverteilung in seinem komplexen globalen Netzwerk funktionieren würde.

Christine Gibson

Contributor

Sie tun es wahrscheinlich jeden Tag, ohne darüber nachzudenken – online mit Ihrer Kreditkarte einkaufen, ein Update auf Ihrem Telefon installieren oder eine vertrauliche Datei an einen Kollegen senden. Doch wie können Sie sicher sein, dass Ihre Konten nicht gehackt werden oder dass es sich bei dem Update nicht um Malware handelt?

Die Antwort sind Internetsicherheitsprotokolle, die täglich Milliarden von Transaktionen und Kommunikationen schützen. Moderne Verschlüsselungsmethoden verwenden Algorithmen, die für herkömmliche Computer zu schwer zu knacken sind. Selbst der leistungsfähigste Supercomputer müsste möglicherweise Millionen von Jahren raten, bevor er den richtigen Passkey findet.

Doch ein neues Gerät namens Quantencomputer könnte den Code in Minuten knacken. Indem sie die Eigenschaften der Quantenmechanik für beispiellose Fortschritte bei der Rechenleistung nutzen, haben diese Maschinen das Potenzial, Wissenschaftlern bei der Entdeckung bahnbrechender Medikamente oder der Entwicklung hocheffizienter Batterien zu helfen. Doch in den Händen von Verbrechersyndikaten oder staatlich geförderten Hackern könnten sie das Fundament der digitalen Sicherheit erschüttern. Obwohl Quantencomputer noch nicht weit genug verbreitet sind, um kryptografische Standards zu knacken, ist der Wettlauf um die weltweite Stärkung der Abwehrmechanismen in vollem Gange.

„Wir stehen vor einer wahrhaft existenziellen Bedrohung für den globalen Handel“, sagt Ed McLaughlin, President und Chief Technology Officer von Mastercard. „Wir wollen bei der Innovation führend sein, um Unternehmen und Kunden überall zu schützen.“

So startete Mastercard im Jahr 2021 sein Projekt „Quantum Security and Communications“, bei dem neue Verschlüsselungsmethoden modelliert werden, die resistent gegen Quantenangriffe sind. Die Ergebnisse werden direkt in zukünftige Netzwerkdesigns einfließen, während Ingenieure Schwachstellen identifizieren und Upgrades testen. 

Die Quantenbedrohung

Quantencomputer basieren wie klassische Computer auf physikalischen Phänomenen, um Informationen als Folgen von Einsen und Nullen zu kodieren. In Ihrem Laptop ist die physikalische Einheit der elektrische Strom, der entweder aus oder an sein kann – 0 oder 1. Ein Quantencomputer verwendet Qubits, subatomare Teilchen, die in spezialisierten Schaltkreisen oder Vakuumkammern isoliert wurden. Wie die Schaltkreise in einem klassischen Computer sind Qubits auf zwei verschiedene Zustände beschränkt (z. B. die Richtung des Elektronenspins oder die Polarisation eines Photons).

Aber – hier wird es seltsam – Qubits können in Superposition versetzt werden, was bedeutet, dass sie beide Zustände gleichzeitig einnehmen, bis sie beobachtet werden und dann in ein einziges Ergebnis kollabieren. (Erinnern Sie sich an Schrödingers Katze, die gleichzeitig lebendig und tot ist?) Diese zusätzliche Dimension ermöglicht es Quantencomputern, alle möglichen Lösungen für ein Problem gleichzeitig zu generieren.

Die Quantenmechanik verleiht Qubits zudem einen Kraftverstärker, und es ist noch seltsamer: Qubits können verschränkt werden, was bedeutet, dass ihre Zustände korrelieren und entweder immer übereinstimmen oder immer entgegengesetzt sind. Egal wie weit sie voneinander entfernt sind, Änderungen an einem verschränkten Qubit wirken sich sofort auf die anderen aus, und die Beobachtung eines Qubits bestätigt den Zustand seiner Gegenstücke.

Diese beiden Eigenschaften, Superposition und Verschränkung, verleihen Quantencomputern exponentiell mehr Leistung, als die fortschrittlichsten Supercomputer von heute aufbringen können. Verschränkte Qubits in Superposition registrieren jede mögliche Kombination ihrer Zustände, sodass jedes zusätzliche Qubit die Datenkapazität verdoppelt: Zwei Qubits speichern vier Werte, drei Qubits speichern acht und 50 speichern mehr als eine Billiarde.

„Das macht sie leistungsfähiger, dass sie über herkömmliche Methoden der Datenverarbeitung hinausgehen“, sagt George Maddaloni, der das Team für Operations, Network and Employee Digital Experience bei Mastercard leitet und den Ansatz des Unternehmens zur Zukunftssicherung seines Netzwerks gegen Quantenbedrohungen anführt.

„In den nächsten 15 Jahren könnten diese Computer die Grundlagen der globalen Cybersicherheitsinfrastruktur knacken.“

Stärkere Verschlüsselung

Um dieser Bedrohung entgegenzuwirken, experimentieren Cybersicherheitsexperten mit zwei parallelen Strategien: der Stärkung konventioneller kryptografischer Algorithmen und der Verwendung von Quantencomputern zur Ableitung von Verschlüsselungsschlüsseln.

Maddaloni und sein Team untersuchten beide Ansätze. Zuerst testeten sie neue Verschlüsselungsalgorithmen, die quantenresistent sein sollen, eine Taktik, die als Post-Quanten-Kryptografie oder PQC bezeichnet wird. In Zusammenarbeit mit vertrauenswürdigen Experten in diesem Bereich baute das Mastercard-Team ein virtuelles Netzwerk in der Cloud auf, das zwei Unternehmen simuliert, die über einen privaten Kanal kommunizieren. Dann schickten sie Daten hin und her, verschlüsselt durch die Algorithmen, die das National Institute of Standards and Technology als potenzielle PQC-Standards ausgewählt hat.

Das Ziel war es, NIST bei der Bewertung der Kandidatenalgorithmen zu unterstützen, was laut Maddaloni ein klassisches Dilemma darstellt. „Wir können nicht genau sagen, wie sicher diese Algorithmen sind, da es keine weit verbreiteten Quantencomputer gibt, mit denen man sie testen könnte“, sagt er. „Aber sobald die Technologie kommerziell verfügbar wird, wird es zu spät sein.“

Um mehr zu erfahren, hat Mastercard zudem untersucht, wie die Technologie in das bestehende Netzwerk integriert werden könnte. „Wir haben getestet, ob bestehende Hardware-Plattformen PQC mit Software-Updates unterstützen können, damit wir keine komplett neuen Geräte entwickeln müssen“, erklärt Maddaloni.

Qubits mit Qubits bekämpfen

Mit Blick auf die langfristige Perspektive testete das Team auch Lösungen zur Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD), bei der eine Sequenz von Lichtteilchen den Verschlüsselungsschlüssel kodiert. Während sie vom Sender zum Empfänger übertragen werden, sind die Schlüssel durch die Eigenschaften der Quantenmechanik vor Lauschangriffen geschützt. Da die Beobachtung eines Quantenteilchens dieses unwiderruflich verändert, führt jeder Versuch eines Hackers, das Photon zu lesen oder zu kopieren, zu einem Fehler auf der Empfängerseite.

Um festzustellen, ob QKD im komplexen globalen Netzwerk von Mastercard funktionieren könnte, erstellte das Team ein Modell einer quantenfähigen Architektur. Das stellte an sich bereits eine Herausforderung dar, da nur wenige Hardwareanbieter Geräte herstellen, die sich in QKD-Systeme integrieren lassen.

„Es gibt keine Standardlösung“, sagt McLaughlin. „Wir mussten es selbst erschaffen.“

Zwei der Testaufbauten waren auf das Labor beschränkt. Das Team verband modernste QKD-Generatoren und -Sender mit derselben Art von physischer Hardware, aus der das Mastercard-Netzwerk besteht. Während das System reale Nachrichtenflüsse nachahmte, maßen die Ingenieure die Leistung jeder Lösung; die schnellste konnte jede Sekunde Schlüssel für 1.831 Geräte bereitstellen. Sie maßen zudem die Wiederherstellungszeit jedes Systems nach vorübergehenden Störungen (der Gewinner war in fünf Minuten wieder online). In einem Aufbau simulierte das Team einen Hacker, der den Quantenkanal ausspioniert. Der Empfänger erkannte die gestörten Qubits korrekt als Fehler.

Um QKD über größere Entfernungen zu testen, verlegten die Ingenieure 2,5 Meilen Glasfaserkabel zwischen zwei Gebäuden. Um dann zwischenstaatliche oder transkontinentale Verbindungen zu simulieren, schwächten sie das Signal mit einem optischen Gerät ab. Die Schlüssel kamen langsamer an, aber immer noch schnell genug für viele Anwendungen.

Obwohl das Team letztendlich zu dem Schluss kam, dass QKD noch nicht bereit für den Live-Betrieb ist, sind die QKD-Geräte der neuesten Generation deutlich zuverlässiger und resilienter als ihre Vorgänger. Wenn die Anbieter das gleiche Tempo beibehalten, könnte QKD innerhalb der nächsten fünf Jahre einsatzbereit sein.

„Wir testen in Echtzeit mit unseren Anbietern“, sagt McLaughlin. „Wenn QKD zum Industriestandard wird, ebnen wir anderen Unternehmen den Weg, ihre Geschäftsdaten und Kunden zu schützen.“