Happy Quantum Day, everyone!

Der World Quantum Day (Welttag der Quanten) wird jährlich am 14. April gefeiert, um das öffentliche Verständnis von Quantenwissenschaft und -technologie weltweit zu fördern. Das Datum ist eine Anspielung auf das Plancksche Wirkungsquantum, eine komplizierte Formell die auf 4.14 gerundet wurde. Initiiert von Wissenschaftlern aus über 65 Ländern, umfasst der Tag dezentrale Aktivitäten wie Vorträge, Ausstellungen und Labortouren.

Mit den Fortschritten in der Quanteninformatik rückt der Zeitpunkt für den Übergang in eine Post-Quanten-Welt (Q-Day) immer näher. Post-Quantum-Kryptografie (PQC) bezeichnet kryptografische Algorithmen, die so konzipiert sind, dass sie gegen zukünftige, leistungsstarke Quantencomputer sicher sind, von denen erwartet wird, dass sie aktuelle Verschlüsselungsmethoden mit öffentlichen Schlüsseln knacken können.

Diese neuen Algorithmen nutzen klassische Hardware und stützen sich auf komplexe mathematische Probleme – wie beispielsweise gitterbasierte Kryptografie –, die als resistent gegen quantenbasierte Angriffe gelten. Das NIST Post-Quantum-Kryptografie Projekt hat die ersten Standards zur Einführung fertiggestellt.

Die meisten heutigen digitalen Sicherheitssysteme basieren auf mathematischen Problemen, die für klassische Computer sehr schwer zu lösen sind – wie die Faktorisierung großer Zahlen oder die Berechnung diskreter Logarithmen. Diese bilden die Grundlage für Systeme wie RSA-Verschlüsselung oder Kryptografie auf Basis elliptischer Kurven.

Ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer könnte jedoch auf Algorithmen wie Shor’s Algorithm zurückgreifen,  ein Quantenalgorithmus, der eine effiziente Faktorisierung großer ganzer Zahlen ermöglicht – ein Problem, das für klassische Computer exponentiell schwierig ist. Entwickelt 1994 von dem Mathematiker Peter Shor, gilt er als eines der bedeutendsten Ergebnisse der Quanteninformatik, da er viele kryptografische Systeme bedroht.

Bislang ist Shor’s Algorithmus nur für sehr kleine Zahlen auf realen Quantenprozessoren demonstriert worden (z. B. Faktorisierung von 15 oder 21). Aktuelle Fortschritte in der Quantenhardware – insbesondere bei supraleitenden Qubits und Ionenfallen – zielen darauf ab, die Fehlerkorrektur und Skalierbarkeit zu verbessern, um praktische Faktorisierungen zu ermöglichen.

Wir sollten dennoch  auf eine Post-Quanten-Welt vorbereitet sein. Regierungen und Organisationen (wie das National Institute of Standards and Technology) sind bereits dabei, quantenresistente Algorithmen zu standardisieren. Die Umstellung der Infrastruktur (Banken, Internetprotokolle, Geräte) wird Jahre oder Jahrzehnte dauern.

Nicht alles wird unbrauchbar. Symmetrische Verschlüsselung (wie AES) ist weniger betroffen – Quantencomputer schwächen sie nur etwas ab, nicht vollständig.