Quanten-Kryptografie: Wie die Blockchain quantenresistent werden kann

Quanten-Computing soll das Rechnen mit großen Datenmengen in den kommenden Jahren revolutionieren. Doch die neue Technologie hat auch ihre Schattenseiten. Denn sie ist auch in der Lage, herkömmliche kryptografische Verfahren auszuhebeln. Um die Sicherheit von Blockchains auch weiterhin zu gewährleisten, hat ein Konsortium unter Führung der Interamerikanischen Entwicklungsbank eine quantenresistente Lösung entwickelt.

 

Banken und Versicherungen interessieren sich zunehmend für den Einsatz von Quantenrechnern, um ihre riesigen Datenschätze in überschaubarer Zeit auf wertvolle Informationen zu durchforsten, Risiken zu berechnen und Prognosen zu treffen. Einer der modernsten Quantencomputer in Deutschland, der IBM Q System One, steht in Stuttgart und soll unter anderem dem Netzwerk der Fraunhofer-Institute zu Forschungszwecken dienen. Eine der Zielsetzungen: die Modellierung von Finanzdaten (IT-Finanzmagazin berichtete).

Quantenresistenz wird wichtiger

Doch auf der anderen Seite stellt das Rechnen mit Qubits für die Finanzbranche auch eine Bedrohung dar. Bereits im vergangenen Jahr warnte der Bundesverband deutscher Banken (BdB), dass Quanten-Computer als Game-Changer bei der Sicherung von Kommunikation und Daten wirken könnten. Denn Schlüssel und Signaturen sind häufig auf kryptografischen Verfahren aufgebaut, deren Sicherheit in erster Linie darauf beruht, dass ein Brute-Force-Angriff, also ein Knacken mit schierer Rechenpower, auch auf Super-Computern mit herkömmlicher Technik so viel Zeit erfordern würde, dass sich der Versuch nicht mehr lohnt. Quantenrechner durchbrechen diese Kalkulation, weil sie wesentlich schneller zu Ergebnissen kommen.

Das war Anlass für die Interamerikanische Entwicklungsbank (IDB), LACChain, Cambridge Quantum Computing (CQC) und Tecnológico de Monterrey (TEC), gemeinsam dieses Thema anzugehen. In ihrem Forschungspapier, das kürzlich veröffentlicht wurde (PDF-Download), verweisen sie auf bereits bestehende Gefahren für kryptografische Sicherheitsverfahren.

Wenn Quantencomputer robust genug werden, um den Shor-Algorithmus in großem Maßstab auszuführen, werden die am häufigsten verwendeten asymmetrischen Algorithmen für digitale Signaturen und Nachrichtenverschlüsselung, wie RSA, (EC)DSA und (EC)DH, nicht mehr sicher sein. In ähnlicher Weise trifft der Grovers-Algorithmus das Mining von Blöcken in bestimmten Konsensprotokollen, das bei steigender Blockgröße – bislang – einen im Quadrat steigenden Aufwand erfordert.

Zusatzschicht als Ergänzung

Die Arbeit der vier Forschungspartner fokussiert sich auf die Absicherung von Blockchains. Hier wurden vier potenzielle Bedrohungsbereiche identifiziert, die sich auf Kryptografie und Schlüssel stützen, die für Angriffe durch Quantencomputer anfällig sind. Hier galt es quantenresistente Verbesserungen zu entwickeln, um die Sicherheit und Integrität von Blockchain-Netzwerken zu gewährleisten.

Der Proof of Concept (PoC) wurde auf dem auf der Ethereum-Technologie basierenden Blockchain-Netzwerk LACChain Besu entwickelt. Es handelt sich dabei um eine Post-Quantum-Kryptographie-Schicht, die Netzwerke schützt und Widerstand gegen Quantencomputer-Angriffe bietet. Transaktionen und Kommunikation wurden mit quantensicheren Schlüsseln der IronBridge-Plattform von CQC geschützt, die Quantencomputer zur Erzeugung zertifizierter Entropie verwendet.

Duncan Jones, Leiter der Abteilung Quantum Cybersecurity bei CQC, sieht in der LACChain-Blockchain, die bereits von über 50 Unternehmen genutzt wird, ein ideales Ziel für die von der IronBridge-Plattform generierten Schlüssel. Nur Keys, die aus zertifizierter Quantenentropie erzeugt werden, könnten gegen die Bedrohung durch Quantencomputer resistent sein.

Quanten-Kryptografie vs. Quanten-Hacker

Letztlich wird Quanten-Computing dafür genutzt, eine Quanten-Kryptografie zu etablieren, die auch nachträglich implementiert werden kann.

„Während bestimmte Quanten-Algorithmen die Durchbrechung digitaler Sicherheitsprotokolle ermöglichen, gibt es glücklicherweise auch andere, die wir nutzen können, um unsere Datenschutzkapazitäten zu stärken.“

Salvador E. Venegas-Andraca, Direktor der Quantum Information Processing Group des Tecnológico de Monterrey

Irene Arias Hofman, CEO des IDB Lab, dem Innovationslabor der IDB-Gruppe, sieht die Relevanz der Forschungsergebnisse nicht nur auf die Finanzwelt beschränkt. Das digitale Zeitalter, in dem sich die Gesellschaft derzeit befinde, stelle verschiedene Technologien bereit, um die sozialen Probleme zu lösen. Die Verknüpfung dieser Technologien könne eine exponentielle Wirkung erzielen. Hofman sieht in der Kombination der Kenntnisse des IDB-Teams zusammen mit CQC und TEC sowohl in der Quanten- als auch in der Blockchain-Technologie einen wesentlichen Meilenstein, der es ermöglicht habe, die zukünftige Integrität von LACChain zu gewährleisten. hj