Die unterschätzte Gefahr: So angreifbar sind heutige Quantencomputer

Was unterscheidet einen Quantencomputer von einem herkömmlichen Computer?

Ghosh

Herkömmliche Computer arbeiten mit Informationseinheiten, sogenannten Bits, die man sich wie einen Lichtschalter in der Position „Ein“ oder „Aus“ vorstellen kann. Diesen Positionen werden die Werte Eins oder Null zugewiesen, wobei Eins für „Ein“ und Null für „Aus“ steht. Wir programmieren Computer mithilfe von Algorithmen oder fundierten Vermutungen, um die bestmögliche Lösung für ein Problem zu entwickeln. Diese Lösung wird dann zu Anweisungen auf Maschinenebene kompiliert – Anweisungen, die festlegen, welche Bits eins und welche Bits null sein müssen –, denen der Computer folgt, um eine Aufgabe auszuführen. Quantencomputer basieren auf Quantenbits oder Qubits. Diese Qubits sind viel vielseitiger als Standardbits und können gleichzeitig Eins, Null oder beides darstellen, was auch als Superposition bezeichnet wird. Diese Qubits können auch miteinander verbunden werden, was als Verschränkung bezeichnet wird. Durch die Einbeziehung von Superpositionen und Verschränkungen in die Entscheidungsfindung können Quantencomputer exponentiell mehr Daten verarbeiten als bitbasierte Computersysteme, während sie eine gleichwertige Anzahl von Qubits verwenden. Dies ist für die Verbesserung von Arbeitsabläufen in vielen Branchen nützlich, da Quantencomputer Informationen viel schneller verarbeiten können als herkömmliche Computer. Ein Beispiel ist die Pharmaindustrie, wo Quantencomputer Daten schnell verarbeiten und die Wirksamkeit potenzieller neuer Medikamente vorhersagen können, wodurch der Forschungs- und Entwicklungsprozess erheblich rationalisiert wird. Dadurch können Unternehmen Milliarden von Dollar und Jahrzehnte an Zeit für die Erforschung, Erprobung und Herstellung innovativer Medikamente einsparen.

Was sind derzeit die größten Sicherheitslücken bei Quantencomputern?

Upadhyay

Derzeit gibt es keine effiziente Möglichkeit, die Integrität von Programmen und Compilern zu überprüfen, die von Quantencomputern in großem Umfang verwendet werden und von denen viele von Drittanbietern entwickelt wurden. Dadurch können sensible Unternehmens- und personenbezogene Daten von Benutzern gestohlen, manipuliert und rückentwickelt werden. Viele Quantencomputeralgorithmen enthalten das geistige Eigentum von Unternehmen direkt in ihren Schaltkreisen, die zur Verarbeitung hochspezifischer Probleme mit Kundendaten und anderen sensiblen Informationen verwendet werden. Wenn diese Schaltkreise offengelegt werden, können Angreifer von Unternehmen entwickelte Algorithmen, Finanzpositionen oder Details zu kritischen Infrastrukturen extrahieren. Darüber hinaus schafft die Vernetzung, die einen so effizienten Betrieb von Qubits ermöglicht, unbeabsichtigt eine Sicherheitslücke: Unerwünschte Verflechtungen, sogenannte Crosstalk, können zu Informationslecks oder Störungen der Rechenfunktionen führen, wenn mehrere Personen denselben Quantenprozessor verwenden.

Was unternehmen die derzeitigen kommerziellen Quantenanbieter, um den Sicherheitsbedenken Rechnung zu tragen? Können sie dieselben Sicherheitsmethoden anwenden wie bei herkömmlichen Computern?

Upadhyay

Klassische Sicherheitsmethoden können nicht angewendet werden, da sich Quantensysteme grundlegend von herkömmlichen Computern unterscheiden. Wir glauben daher, dass Unternehmen weitgehend unvorbereitet sind, diese Sicherheitsmängel zu beheben. Derzeit konzentrieren sich kommerzielle Quantenanbieter darauf, die zuverlässige und effektive Funktion ihrer Systeme sicherzustellen. Durch Optimierung lassen sich zwar indirekt einige Sicherheitslücken schließen, aber die für Quantencomputer spezifischen Komponenten wie Schaltungstopologie, verschlüsselte Daten oder hardwaregestützte Systeme zum Schutz geistigen Eigentums verfügen in der Regel nicht über einen durchgängigen Schutz. Da Quantencomputer noch eine relativ neue Technologie sind, gibt es für Angreifer noch wenig Anreiz, sie ins Visier zu nehmen. Sobald diese Computer jedoch in die Industrie und unseren Alltag integriert sind, werden sie zu einem bevorzugten Ziel werden.

Wie können Entwickler die Sicherheit in Quantencomputern verbessern?

Ghosh

Quantencomputer müssen von Grund auf geschützt werden. Auf Geräteebene sollten sich Entwickler darauf konzentrieren, Übersprechen und andere Störquellen – externe Interferenzen – zu minimieren, die Informationen preisgeben oder eine effektive Informationsübertragung behindern können. Auf Schaltungsebene müssen Techniken wie Verschlüsselung und Informationskodierung eingesetzt werden, um die im System gespeicherten Daten zu schützen. Auf Systemebene muss die Hardware unterteilt werden, indem Geschäftsdaten in verschiedene Gruppen aufgeteilt werden, Benutzern je nach ihrer Rolle spezifische Zugriffsrechte gewährt werden und eine zusätzliche Schutzebene für die Informationen hinzugefügt wird. Es müssen neue Softwaretechniken und -erweiterungen entwickelt werden, um Quantenprogramme zu erkennen und gegen Sicherheitsbedrohungen zu schützen. Wir hoffen, dass diese Abhandlung Forschern mit Fachkenntnissen in Mathematik, Informatik, Ingenieurwesen und Physik das Thema Quantensicherheit näherbringt, damit sie einen wirksamen Beitrag zu diesem wachsenden Forschungsgebiet leisten können.