Die Terra Quantum AG, einer der führenden Quantentechnologie-Vorreiter in Europa, verkündete heute Einzelheiten der Untersuchung, die das derzeitige Verständnis darüber auf den Kopf stellt, was eine unbrechbare und zukunftssichere Datenverschlüsselung bedeutet. Der Durchbruch von Terra Quantum sichert kritischste Mitteilungen, wie etwa streng vertrauliche Nachrichten, Online-Banking-Details und geheime Mitteilungen zwischen internationalen Organisationen.
Markus Pflitsch, Gründer und CEO von Terra Quantum, sagte: „In einer Informationsgesellschaft, die zunehmend große Mengen persönlicher Daten über öffentliche Kanäle übermittelt, ist die Informationssicherheit eine sich stellende weltweite Herausforderung. Daher stellt der Schutz vertraulicher Daten eine intensive Debatte dar.
Unsere bahnbrechenden Ergebnisse zeigen die Angreifbarkeit existierender Post-Quanten-Verschlüsselungsschemata. Durch den Bedarf inspiriert, den aufgezeigten Schwachpunkt zu beheben, haben wir das superschnelle Schlüsselaustauschverfahren durch die Glasfaser entwickelt.“
Was ist Post-Quanten-Kryptographie?
Es besteht die allgemeine Auffassung, dass es bis zum nächsten großen Fortschritt hinsichtlich der Rechenleistung – des Quantencomputing – nur noch wenige Jahre dauert. Und wenn das Quantencomputing verfügbar wird, werden die vergangenen Techniken zum Schutz von Daten durch Verschlüsselung dadurch angreifbar.
Die Post-Quanten-Kryptographie beschreibt eine Reihe von Verfahren, um den Datenschutz auf das Niveau von Standards zu bringen, das für eine zukünftige Technologieumgebung erforderlich ist, in der Hacker sich dem Quantencomputing bedienen. Einer der beliebtesten ist der Advanced Encryption Standard (AES), der geschaffen wurde, um Angriffen von Quantencomputern standzuhalten. Die Post-Quanten-Kryptographie ist zum Leitbild für Organisationen geworden, die nach einem langfristigen Schutz für ihre Daten suchen.
Was hat Terra Quantum herausgefunden?
Terra Quantum hat erkannt, dass der AES gegenüber bereits identifizierten Algorithmen ziemlich sicher ist, jedoch gegenüber aufkommenden Bedrohungen schutzlos dastehen kann. Um eine Verteidigung aufzubauen, hat Terra Quantum begonnen, nach Schwachstellen zu suchen, indem es den AES gegen neue Algorithmen getestet hat. Dabei hat Terra Quantum eine Schwachstelle auf dem Message-Digest Algorithm MD5 entdeckt. Das Team von Terra Quantum hat herausgefunden, dass man einen Algorithmus unter Verwendung eines Quantum Annealers knacken kann, der ungefähr 20.000 Qubits umfasst. So einen Annealer gibt es heute nicht, und während es zwar unmöglich ist, vorauszusagen, wann dieser geschaffen werden kann, ist es denkbar, dass ein solcher Annealer Hackern in der Zukunft zur Verfügung stellen könnte. Daher hat Terra Quantum die zunehmenden Möglichkeiten für eine Inversion der breiten Klasse von kryptographischen Hashfunktionen, wie etwas MD5 oder AES, aufgezeigt (die Hashfunktion ist die Funktion, die eine lange Kette von Bits irreversibel in eine kleine Zahl wandelt). Hiermit offenbart Terra Quantum die Angreifbarkeit existierender Post-Quanten-Verschlüsselungsschemata.
Was ist die Lösung?
Das Protokoll heißt ‚die superschnelle Boltzmann-Planck-geschützte sichere Informationsübertragung’ (the superfast Boltzmann-Planck-protected secure information transmission). Die kritische Komponente des vorgeschlagenen Protokolls ist die Veränderung des Sicherheitsparadigmas basierend auf einer Quanten-Unumkehrbarkeit. Die CTOs von Terra Quantum, die Professoren Gordey Lesovik und Valerii Vinokur, erklärten: „Es ergibt sich ein neues Protokoll aus dem Gedanken, dass Quantum Demon ein kleines Biest ist. Der Standardansatz verwendet das Konzept, dass der durch einen Lauscher (Eva für Eavesdropper) angeheuerte Demon ein King-Kong-artiges hundert Kilometer langes Monster ist, das alle Übertragungsleitungsverluste erfolgreich nutzen kann, um die Mitteilung zu dechiffrieren. Da echte Quantum Demons jedoch klein sind, muss Eva eine Armee aus einer Milliarde rekrutieren, um erfolgreich alle Streuwellen zu sammeln, die aus der Glasfaser austreten, die sie für eine effiziente Dechiffrierung benötigt. Terra Quantum schlägt eine innovative Technik vor, die von der Tatsache Gebrauch macht, dass eine derartige Armee – gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik – nicht existieren kann.”
Es bleibt die Möglichkeit des lokalen Reroutings des Teils des gesendeten Signals bestehen. Diese lokalen Verluste können jedoch kontrolliert und mit hoher Genauigkeit kleingehalten werden. Darüber hinaus schränkt die Quantenbeschaffenheit des Lichts die für einen Lauscher verfügbaren Informationen zusätzlich ein. Somit ist das gesendete Signal von Terra Quantum sicher.
Wissenschaftlicher Anhang
Das Hindernis der Glasfaserverluste
Signalausbreitung in der Glasfaser
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Das Protokoll im Detail
Die Geschichte des steten Kampfes zwischen Kryptographen und Dechiffrierern geht auf das Höhlenzeitalter zurück und umfasst viele Triumphe auf beiden Seiten. Terra Quantum stützt seine Lösung auf die Vernam-Chiffre, dem sogenannten ‚One-Time-Pad‘, das durch Claude Shannon nachgewiesenermaßen nicht gebrochen werden kann. Terra Quantum führt den superschnellen Quantenschlüsselaustausch ein und schafft dabei eine praktische Realisierung dieses Verfahrens im Kontext des modernen superschnellen Informationskommunikationsdienstes. Das innovative Protokoll von Terra Quantum, die superschnelle Boltzmann-Planck-geschützte sichere Informationsübertragung, macht die elektronisch übertragene Mitteilung praktisch unbrechbar. Die kritische Komponente des vorgeschlagenen Protokolls ist die Änderung des Sicherheitsmodells basierend auf einer Quantenunumkehrbarkeit. Der Standardansatz verwendet das Konzept, dass ein Lauscher (Eva für Eavesdropper) alle Übertragungsleitungsverluste erfolgreich nutzen kann, um die Kommunikation zu dechiffrieren. Der Löwenanteil der Verluste findet jedoch aufgrund einer Streuung der kleinen Imperfektionen (die während der Herstellung unvermeidlich entstehen) eines Signals statt, das sich durch die Glasfaser ausbreitet. Die Umkehr der Streuwellen, die für die effiziente Dechiffrierung erforderlich ist, ähnelt dem berühmten Zeit-Umkehr-Problem und kann durch die erweiterte Faser, die Milliarden von Streuern pro Kilometer umfasst, nicht erzielt werden. Unser Modell bietet einen universellen Ansatz, um die Effizienz eines jeglichen existierenden Quantenprotokolls entscheidend zu verbessern. Die innovative vorgeschlagene Technik ermöglicht uns, ein vor Quantenrauschen geschütztes Protokoll zu entwickeln, um verschlüsselte Informationen schnellstens sicher auszusenden.
Das Hindernis der Glasfaserverluste
Die Glasfaserverluste bleiben das Haupthindernis für den weiteren Fortschritt in der Informationsübertragungseffizienz in sowohl klassischen als auch Quantenfällen. Terra Quantum stößt hier vor, indem es erkennt, dass der herkömmliche Ansatz der Quantenkommunikation doppelt leidet. Zum einen verringern die Verluste selbst die Effizienz und zum anderen erscheint die landläufige Meinung, dass ein Lauscher das verlorene Signal effizient dechiffrieren kann, nicht ganz zutreffend zu sein.
Um dies zu demonstrieren, untersuchen wir eine einen Kilometer lange Übertragungsleitung. Durch Ableitung aus der Leckage-Rate nehmen wird den Anfangsimpuls, der hundert Millionen Photonen für die eine Sekunde pro Längeneinheit der Übertragungsleitung enthält, und finden heraus, dass der tatsächliche Verlust entlang der Leitung etwa 4% beträgt. Wenn Eva in der Lage wäre, diesen Betrag von Informationen aus der lokalen Quelle zu verwenden, so wäre ein beachtlicher Umfang zusammengekommen. Die Sammlung der resultierenden Wellen, welche in etwa eine Millionen Photonen enthalten, die von den Milliarden Streuern gestreut werden, erfordert jedoch eine unrealistische Mawell-Demon-artige Vorrichtung von einem Kilometer Länge. Selbst die Sammlung resultierender Wellen mit 10.000 Photonen, die von den 100.000 Streuern durch eine Maxwell-Demon-artige Vorrichtung von einem Meter Länge gestreut werden, erscheint äußerst schwierig, wenn überhaupt möglich. Der Gewinn von Informationen würde dennoch 0,04% betragen. Dieser Betrag verlorener Informationen kann einfach kompensiert werden, indem eine Nachbearbeitung durch Alice und Bob durchgeführt wird.
Signalausbreitung in der Glasfaser
Die Signalausbreitung in der Glasfaser ähnelt nicht gerade wenig der Entwicklung des Partikelensembles, das eine Streuung auf dem eingefrorenen Unordnungspotential erfährt, das durch die kinetische Gleichung beschrieben wird, wobei die klassische Boltzmann-Gleichung verallgemeinert wird. Dies impliziert, dass die Dynamik der Partikel von dem Entropiewachstum begleitet wird und daher irreversibel ist, wie durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ausgedrückt. Eine wichtige Auswirkung der Unumkehrbarkeit ist, dass Eva keine nützlichen Informationen aus der Streuung sammeln kann. Es bleibt jedoch die Möglichkeit des lokalen Reroutings des Teils des gesendeten Signals bestehen. Physisch kann dies zum Beispiel umgesetzt werden, indem die Faser lokal gebunden wird, was zu einem Mischen des primären Ausbreitungsmodus mit den übergeordneten Leaking-Modi führt. Dies ermöglicht wiederum ein Lauschen der Informationen, die durch den Hauptmodus getragen werden. Wäre das Signal klassisch gewesen, würde dieses „Binden“ für Eva einen uneingeschränkten Zugriff auf den vollen Inhalt der Nachricht bedeuten. Gemäß dem Prinzip von Planck wird eine elektromagnetische Strahlung jedoch quantisiert. Das elektromagnetische Signal ist daher eine Sequenz von Partikeln, die Photonen. Wenn das Anfangssignal durchschnittlich N Photonen umfasst und die lokale Leckage durch Transparenz quantifiziert wird, erreicht Eva somit nur ein kleiner Bruchteil des Signals, TN (T steht für die Transparenz der lokalen Leckage). Darüber hinaus unterliegt dieser Bruchteil unvermeidbaren grundlegenden Quantenfluktuationen in Verbindung mit einer alternativen Quantenwahl, die proportional zu TN ist. Folglich nimmt der relative Teil der Fluktuationen als 1/TN mit einer abnehmenden Zahl von Photonen und Transparenz zu. Dies impliziert, dass, wenn Eva nur einen kleinen Abschnitt des Signals erhält, dieser effektiv dechiffrierbar wird. Diese Eigenschaft nennen wird „Planck-Schutz“ der Informationsübertragung. Die sogenannte vor Quantenrauschen geschützte Kryptographie verwendet eine ähnliche Eigenschaft.
Planck-Schutz
Das allgemeine Prinzip des Planck-Schutzes ermöglicht uns, die gesamte Übertragungsleitungseffizienz über die lokale Leckage-Transparenz zu steuern. Die Implementierung dieser Steuerung erfordert eine sorgfältige Studie des Zustands der Glasfaser und der entstehenden Streumatrix, welche durch Standard-Telekommunikationstechnologieverfahren durchgeführt werden kann, insbesondere unter Verwendung der optischen Zeitbereichsreflektometrie. Wir schlagen ein neues Glasfaser-Steuerverfahren basierend auf der direkten Messung der Signalausbreitung von Alice zu Bob vor. Die Genauigkeit der effektiven Steuerung der Leckage-Transparenz ist so hoch wie wenige Prozent für eine ns Messdauer. Für erweiterte Messungen wird sie sogar noch höher. Der innovative Durchbruch besteht darin, dass uns das vorgeschlagene Schema ermöglicht, das Signal, das durch die unbrechbaren One-Time-Pads verschlüsselt wurde, mit einer enormen Geschwindigkeit im Vergleich zu den durch die Telekommunikation erzielten besten Raten zu übertragen.
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ENDE
Über Terra Quantum
TERRA QUANTUM ist ein innovatives Deep-Tech-Unternehmen mit Sitz in der Schweiz, das sich auf Anwendungen der Quantentechnologie konzentriert. Es wurde 2019 gegründet, wird durch den Senior Finance Executive und ehemaligen CERN-Quantenphysiker Markus Pflitsch geführt und durch Europas führendes VC-Unternehmen Lakestar gestützt. Das Unternehmen entwickelt ein Portfolio führender Quantenanwendungen einschließlich Hardwarekomponenten für Quantencomputer sowie Quantenkommunikations- und Kryptographielösungen und ist extrem aktiv beim Entwurf von Quantenalgorithmen für alle Arten von verfügbaren Quantenmaschinen, die in verschiedenen Industrien einsetzbar sind. Besuchen Sie uns auf LinkedIn und unserer Website.
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