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Betrugsprävention

14. März 2024

 

Quantenbasierte Cyberbedrohungen werden wahrscheinlich erst in einigen Jahren auftreten. 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 Handy installieren oder eine vertrauliche Datei an einen Kollegen senden. Aber wie können Sie sicher sein, dass Ihre Konten nicht gehackt werden oder dass das Update keine Schadsoftware enthält?

Die Antwort lautet: Internet-Sicherheitsprotokolle, die täglich Milliarden von Transaktionen und Kommunikationen schützen. Moderne Verschlüsselungsmethoden verwenden Algorithmen, die für herkömmliche Computer zu schwierig zu knacken sind. Selbst der leistungsstärkste Supercomputer bräuchte Millionen von Jahren des Ratens, bevor er den richtigen Schlüssel findet.

Doch ein neuartiges Gerät, ein sogenannter Quantencomputer, könnte den Code in wenigen Minuten knacken. Durch die Nutzung der Eigenschaften der Quantenmechanik für beispiellose Fortschritte in der Rechenleistung 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 zerstören. Obwohl Quantencomputer noch nicht weit genug verbreitet sind, um kryptografische Standards zu knacken, ist der Wettlauf um die Stärkung der Verteidigung auf der ganzen Welt bereits im Gange.

„Wir stehen vor einer wahrhaft existenziellen Bedrohung des globalen Handels“, sagt Ed McLaughlin, Präsident und Chief Technology Officer von Mastercard. „Wir wollen Innovationen vorantreiben, um Unternehmen und Kunden weltweit zu schützen.“

Deshalb startete Mastercard im Jahr 2021 sein Projekt „Quantum Security and Communications“, in dem neue Verschlüsselungsmethoden entwickelt werden, die gegen Quantenangriffe resistent sind. Die Ergebnisse werden zukünftige Netzwerkdesigns direkt beeinflussen, da Ingenieure Schwachstellen identifizieren und Upgrades testen können. 

Die Quantenbedrohung

Quantencomputer nutzen, genau wie klassische Computer, physikalische Phänomene, um Informationen als Ketten aus Einsen und Nullen zu kodieren. In Ihrem Laptop ist die physikalische Einheit elektrischer Strom, der entweder aus oder an sein kann – 0 oder 1. Ein Quantencomputer verwendet Qubits, subatomare Teilchen, die in speziellen Schaltkreisen oder Vakuumkammern isoliert wurden. Ähnlich wie die Schaltkreise in einem klassischen Computer sind Qubits auf zwei unterschiedliche Zustände beschränkt (z. B. die Richtung des Spins eines Elektrons oder die Polarisation eines Photons).

Aber – und hier wird es etwas seltsam – Qubits können in Superposition gebracht werden, das heißt, sie befinden sich gleichzeitig in beiden Zuständen, bis sie beobachtet werden. Dann kollabieren sie zu einem einzigen Ergebnis. (Erinnert ihr euch an Schrödingers Katze, die gleichzeitig lebendig und tot war?) Diese zusätzliche Dimension ermöglicht es Quantencomputern, alle möglichen Lösungen für ein Problem gleichzeitig zu generieren.

Die Quantenmechanik verleiht Qubits außerdem einen Kraftmultiplikator, und das ist noch seltsamer: Qubits können verschränkt werden, was bedeutet, dass ihre Zustände korrelieren, entweder immer übereinstimmend 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 erbringen können. Verschränkte Qubits in Superposition erfassen 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 ist es, was sie so leistungsfähig macht: Sie gehen über herkömmliche Methoden der Datenverarbeitung hinaus“, sagt George Maddaloni, der bei Mastercard das Team für Operations, Network und Employee Digital Experience leitet und den Ansatz des Unternehmens zur Zukunftssicherung seines Netzwerks gegen Quantenbedrohungen verantwortet.

„In den nächsten 15 Jahren könnten diese Computer die Grundfesten der globalen Cybersicherheitsinfrastruktur erschüttern.“

Stärkere Verschlüsselung

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

Maddaloni und sein Team untersuchten beide Ansätze. Zunächst testeten sie neue Verschlüsselungsalgorithmen, die quantenresistent sein sollten – eine Taktik, die als Post-Quanten-Kryptographie oder PQC bezeichnet wird. In Zusammenarbeit mit vertrauenswürdigen Experten auf diesem Gebiet baute das Mastercard-Team ein virtuelles Netzwerk in der Cloud auf, das zwei Unternehmen simuliert, die über einen privaten Kanal kommunizieren. Anschließend wurden die Daten hin und her übertragen, verschlüsselt durch die Algorithmen, die das Nationale Institut für Standards und Technologie als potenzielle PQC-Standards ausgewählt hat.

Ziel war es, dem NIST bei der Bewertung der Kandidatenalgorithmen zu helfen, was laut Maddaloni ein Teufelskreis ist. „Wir können nicht genau sagen, wie sicher diese Algorithmen sind, da es keine allgemein verfügbaren Quantencomputer gibt, mit denen wir sie testen könnten“, sagt er. „Sobald die Technologie jedoch kommerziell verfügbar ist, wird es zu spät sein.“

Um mehr zu erfahren, hat Mastercard auch untersucht, wie sich die Technologie in sein bestehendes Netzwerk integrieren ließe. „Wir haben getestet, ob bestehende Hardwareplattformen PQC mit Software-Updates unterstützen können, damit wir keine komplett neue Ausrüstung entwickeln müssen“, erklärt Maddaloni.

Qubits mit Qubits bekämpfen

Mit Blick auf die langfristige Perspektive testete das Team auch Lösungen im Bereich der Quantenschlüsselverteilung (QKD), bei der eine Sequenz von Lichtteilchen den Verschlüsselungsschlüssel kodiert. Auf ihrem Weg vom Absender zum Empfänger werden die Schlüssel durch die Eigenschaften der Quantenmechanik vor Abhörern geschützt. Da die Beobachtung eines Quantenteilchens dieses irreversibel 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 allein stellte schon 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 entwickeln.“

Zwei der Testaufbauten beschränkten sich auf das Labor. Das Team verband hochmoderne QKD-Generatoren und -Transmitter mit der gleichen Art von physischer Hardware, aus der das Mastercard-Netzwerk besteht. Während das System realweltliche Nachrichtenabläufe nachbildete, maßen die Ingenieure die Leistungsfähigkeit jeder Lösung; die schnellste konnte jede Sekunde Schlüssel an 1.831 Geräte liefern. Außerdem wurde die Wiederherstellungszeit der einzelnen Systeme nach vorübergehenden Störungen gemessen (das Gewinnersystem war in fünf Minuten wieder online). In einem Versuchsaufbau 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 überregionale oder transkontinentale Verbindungen zu simulieren, schwächten sie das Signal mit einem optischen Gerät ab. Die Schlüssel kamen etwas langsamer an, aber für viele Anwendungen immer noch schnell genug.

Obwohl das Team letztendlich zu dem Schluss kam, dass QKD noch nicht marktreif ist, sind die Geräte der neuesten Generation von QKD deutlich zuverlässiger und robuster 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 Lieferanten“, sagt McLaughlin. „Wenn QKD zum Industriestandard wird, ebnen wir anderen Unternehmen den Weg, ihre Geschäftsdaten und Kunden zu schützen.“