Post-Quanten-Kryptographie: Wie sicher sind Post-Quanten-Algorithmen wirklich?

Was vor einigen Jahren noch nach Science-Fiction klang, ist mittlerweile in greifbare Nähe gerückt: Quantencomputer, die mit einer bisher ungekannten Rechenleistung die heutige Kryptographie – und damit die gesamte digitale Infrastruktur – gefährden.

Zwar werden bis zu einem flächendeckenden Einsatz wohl noch einige Jahre vergehen, dennoch gilt es für Unternehmen, sich sicherheitstechnisch bereits jetzt auf das Quantenzeitalter vorzubereiten.

Mithilfe von Quantencomputer-resistenten Verschlüsselungsverfahren ist es heute schon möglich, die Vertraulichkeit und den Schutz von Informationen auch langfristig zu gewährleisten. Die sogenannte Post-Quanten-Kryptographie greift hierfür auf kryptographische Methoden zurück, die sowohl sicher gegenüber Angriffen mit Quantencomputern als auch gegenüber klassischen Angriffen sind.

Post-Quanten-Algorithmen im Wettbewerb um eine Standardisierung

2016 initiierte das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) einen Standardisierungsprozess, dessen Ziel es ist, mehrere Post-Quanten-Algorithmen für den Schlüsselaustausch und die digitale Signatur zu prüfen und zu standardisieren. Sieben Finalisten zogen dabei im vergangenen Jahr in die dritte und letzte Runde des Prozesses ein. Darunter unter anderem auch CRYSTALS-Kyber, ein gitterbasierter Algorithmus, der sich für die Verschlüsselung von Informationen die Komplexität von Gittern und damit ein schwieriges mathematisches Problem zu Nutze macht. Aber wie sicher ist dieser potenzielle Post-Quanten-Standard wirklich? Diese Frage haben sich IT-Sicherheitsexpert:innen der TÜV Informationstechnik GmbH (TÜViT) gestellt und CRYSTALS-Kyber genauer unter die Lupe – bzw. das Oszilloskop – genommen.

Post-Quanten-Sicherheit am Beispiel CRYSTALS-Kyber

Das Projekt-Team, bestehend aus Hauke Malte Steffen, Lucie Johanna Kogelheide und Timo Bartkewitz, untersuchte dabei einen Chip, auf dem der Post-Quanten-Algorithmus, wie vom Entwickler vorgesehen, implementiert wurde. Für die Prüfung des Chips legten sie zugrunde, was aus der klassischen Kryptographie bereits bekannt ist: Die Tatsache, dass aktuelle kryptographische Verfahren durch die Ausnutzung von Seitenkanälen angegriffen werden können.

„Im Fokus stand die Frage, ob wir trotz quantensicherer Verschlüsselung auf die eigentlich vertraulichen Daten des Chips zugreifen können“, erklärt Hauke Malte Steffen, Werkstudent der Abteilung Hardware Evaluation bei TÜViT. „Dazu haben wir in unserem Hardwarelabor den Strom gemessen, den der Chip während der Nachrichtenverschlüsselung verbraucht. Hintergrund ist, dass unterschiedliche Operationen auch zu einem unterschiedlichen Stromverbrauch führen, durch den wir wiederum Rückschlüsse auf die verschlüsselten Daten ziehen können.“ Mit Erfolg: Denn den IT-Sicherheitsexpert:innen gelang es, die Referenzimplementierung von CRYSTALS-Kyber anzugreifen und die Daten entsprechend auszulesen.

In einem nächsten Schritt überlegte sich das Projekt-Team deshalb, wie der gitterbasierte Algorithmus sicher implementiert werden kann. In diesem Rahmen entwickelten sie vier verschiedene Implementierungen mit einem jeweils komplexeren Grad an Gegenmaßnahmen. Darunter beispielsweise das Erstellen eines Dummys oder die Randomisierung von Bits. Das Ergebnis: Bereits die erste Stufe reduzierte die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Angriffs erheblich, die vierte Implementierung verhinderte diesen gänzlich.

„Unsere Prüfungen zeigen deutlich, dass es nicht ausreicht, Post-Quanten-Algorithmen einfach nur zu implementieren. Das alleine macht Produkte noch nicht sicher gegen Angriffe wie wir sie auch heute schon durchführen können“, resümiert Lucie Johanna Kogelheide, IT-Sicherheitsexpertin bei TÜViT. „Möchten Unternehmen ihre bisherigen Verschlüsselungsverfahren auf Post-Quanten-Kryptographie umstellen, erfordert dies viel Expertise sowie Erfahrung, um auch entsprechende Gegenmaßnahmen zu berücksichtigen und erfolgreich umzusetzen.“

Fazit

Im Standardisierungsprozess befinden sich derzeit verschiedene, bereits gut untersuchte Post-Quanten-Algorithmen. Neben einem sicheren Algorithmen-Design benötigt kryptographische Sicherheit allerdings auch eine sichere Implementierung. Das hat die exemplarische Untersuchung von CRYSTALS-Kyber im TÜViT-Hardwarelabor noch einmal deutlich gezeigt. Unternehmen, die sich heute schon fit für das Quantenzeitalter machen möchten, sollten daher auf professionelle Unterstützung setzen. Denn nur so ist am Ende gewährleistet, dass vertrauensvolle Daten auch langfristig und effektiv geschützt werden.