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<title>Quantenkryptographie</title>
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<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Quantenkryptographie</span></h1>
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</div>
<div id="mw-content-text" class="mw-body-content mw-content-ltr" lang="de" dir="ltr"><div class="mw-content-ltr mw-parser-output" lang="de" dir="ltr"><p><b>Quantenkryptographie</b> ist die Verwendung <a href="Quantenmechanik" title="Quantenmechanik">quantenmechanischer</a> Effekte (besonders bei <a href="Quantenkommunikation" class="mw-redirect" title="Quantenkommunikation">Quantenkommunikation</a> und <a href="Quantencomputer" title="Quantencomputer">Quantencomputern</a>) als Bestandteil <a href="Kryptographie" title="Kryptographie">kryptographischer</a> Verfahren oder zur <a href="Kryptoanalyse" title="Kryptoanalyse">Kryptoanalyse</a>.
</p><p>Die bekanntesten Beispiele der Quantenkryptographie sind der <a href="Quantenschl%C3%BCsselaustausch" title="Quantenschlüsselaustausch">Quantenschlüsselaustausch</a> und der (noch nicht praktikable) <a href="Shor-Algorithmus" title="Shor-Algorithmus">Shor-Algorithmus</a> zum Faktorisieren großer Zahlen.
Quantenkryptographie erlaubt das Entwickeln von Verfahren, die <a href="Klassische_Physik" title="Klassische Physik">klassisch</a> (d.&nbsp;h. ohne den Einsatz von Quanteneffekten) unmöglich sind. Zum Beispiel kann bei einem Quantenkanal ein Lauscher entdeckt werden, weil seine Messung die gesendeten Daten beeinflusst.
</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Quantenschlüsselaustausch"><span id="Quantenschl.C3.BCsselaustausch"></span>Quantenschlüsselaustausch</h2></div>
<div class="hauptartikel" role="navigation"><span class="hauptartikel-pfeil" title="siehe" aria-hidden="true" role="presentation">→&nbsp;</span><i><span class="hauptartikel-text">Hauptartikel</span>: <a href="Quantenschl%C3%BCsselaustausch" title="Quantenschlüsselaustausch">Quantenschlüsselaustausch</a></i></div>
<p>Die am besten bekannte und kommerziell verfügbare<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Anwendung von Quantenkryptographie ist der Quantenschlüsselaustausch. In den 1970er Jahren schlug <a href="Stephen_Wiesner" title="Stephen Wiesner">Stephen Wiesner</a> eine auf Quanteneffekten basierende Informationsübertragung vor, konnte diesen Vorschlag jedoch erst 1983 veröffentlichen.<sup id="cite_ref-wiesner83conjugate_2-0" class="reference"><a href="#cite_note-wiesner83conjugate-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> <a href="Charles_H._Bennett_(Physiker)" title="Charles H. Bennett (Physiker)">Charles H. Bennett</a> und <a href="Gilles_Brassard" title="Gilles Brassard">Gilles Brassard</a> stellten 1984 das erste Protokoll zum Quantenschlüsselaustausch vor (BB84).<sup id="cite_ref-BB84_3-0" class="reference"><a href="#cite_note-BB84-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Ziel eines <a href="Schl%C3%BCsselaustauschprotokoll" title="Schlüsselaustauschprotokoll">Schlüsselaustauschprotokolls</a> ist es, dass sich zwei Parteien (üblicherweise <a href="Alice_und_Bob" title="Alice und Bob">Alice und Bob</a> genannt) auf einen gemeinsamen geheimen Schlüssel einigen, ohne dass eine dritte Partei (Eve) Informationen über den Schlüssel erhält, selbst wenn sie den Kommunikationskanal abhört. Beim Quantenschlüsselaustausch wird das durch den Einsatz eines Quantenkanals erreicht, da Eve die über diesen Kanal laufenden Nachrichten nicht abhören kann, ohne sie zu verändern. Einen Schlüsselaustausch mit <a href="Quantenverschr%C3%A4nkung" title="Quantenverschränkung">Quantenverschränkung</a> führte <a href="Artur_Ekert" title="Artur Ekert">Artur Ekert</a> 1991 ein.
</p><p>Die Sicherheit eines Quantenschlüsselaustauschprotokolls kann auch gegen unbeschränkte Angreifer bewiesen werden, was bei einem klassischen Schlüsselaustauschprotokoll unmöglich ist. Die einzigen Annahmen, die benötigt werden, sind die Gültigkeit der Gesetze der Quantenmechanik und eine Möglichkeit für Alice und Bob, sich gegenseitig zu <a href="Authentifizierung" title="Authentifizierung">authentifizieren</a>, um einen <a href="Man-in-the-middle-Angriff" class="mw-redirect" title="Man-in-the-middle-Angriff">Man-in-the-middle-Angriff</a> auszuschließen. Zudem wird in den Sicherheitsbeweisen angenommen, dass die Kommunikationspartner nicht abgehört oder heimlich beobachtet werden und dass die verwendeten Geräte (z.&nbsp;B. <a href="Photodetektor" title="Photodetektor">Photodetektoren</a>, Photonenquellen, <a href="Zufallsgenerator" class="mw-redirect" title="Zufallsgenerator">Zufallsgeneratoren</a>) wie spezifiziert funktionieren. Die zweite dieser Annahmen ist bei Verwendung von als „geräte-unabhängig“ bezeichneten Verfahren (<i>device-independent quantum cryptography</i><sup id="cite_ref-VaVi14_4-0" class="reference"><a href="#cite_note-VaVi14-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>) nicht notwendig.
</p><p>Was die Sicherheitsbeweise am Ende liefern, ist eine Garantie der Form: „Wenn die Voraussetzungen dieses Beweises gelten, weiß der Gegner nur mit (sehr kleiner) Wahrscheinlichkeit <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle p}">
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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/81eac1e205430d1f40810df36a0edffdc367af36.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; margin-left: -0.089ex; width:1.259ex; height:2.009ex;" alt="{\displaystyle p}" loading="lazy"></span> mehr als <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle \epsilon }">
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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/e3c2a923483de4ce0b757893ff7c94d924abe8cc.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; margin-left: -0.089ex; width:3.237ex; height:2.009ex;" alt="{\displaystyle p,\epsilon }" loading="lazy"></span> hängen von im Rahmen des Protokolls und vor Verwendung des Schlüssels bestimmbaren Größen ab.<sup id="cite_ref-Sca2009review_5-0" class="reference"><a href="#cite_note-Sca2009review-5"><span class="cite-bracket">[</span>5<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Quanten-Commitmentverfahren">Quanten-Commitmentverfahren</h2></div>
<p>Die Entdeckung des Quantenschlüsselaustauschs weckte die Hoffnung, auch andere kryptographische Verfahren gegen unbeschränkte Angreifer sicher machen zu können. Ein grundlegendes <a href="Kryptographisches_Primitiv" title="Kryptographisches Primitiv">Primitiv</a> sind <a href="Commitment-Verfahren" title="Commitment-Verfahren">Commitment-Verfahren</a>, die es einer Partei erlauben, sich gegenüber einer anderen Partei auf eine solche Weise auf einen Wert festzulegen, dass sie den Wert nicht mehr ändern kann, die andere Partei jedoch nichts über den Wert lernt, bis er aufgedeckt wird. Zusammen mit einem Quantenkanal kann man aus einem Quanten-Commitmentverfahren ein Primitiv namens Oblivious Transfer (OT) konstruieren, das gegen unbeschränkte Angreifer sicher ist.<sup id="cite_ref-crepeau88ot_6-0" class="reference"><a href="#cite_note-crepeau88ot-6"><span class="cite-bracket">[</span>6<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Oblivious Transfer ist ein vollständiges Primitiv, da es die sichere Implementierung beliebiger verteilter Berechnungen erlaubt (sichere Mehrparteienberechnung).<sup id="cite_ref-kilian88founding_7-0" class="reference"><a href="#cite_note-kilian88founding-7"><span class="cite-bracket">[</span>7<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> (Die Ergebnisse von Crépeau und Kilian<sup id="cite_ref-crepeau88ot_6-1" class="reference"><a href="#cite_note-crepeau88ot-6"><span class="cite-bracket">[</span>6<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> und Kilian<sup id="cite_ref-kilian88founding_7-1" class="reference"><a href="#cite_note-kilian88founding-7"><span class="cite-bracket">[</span>7<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> alleine reichen noch nicht aus, um aus einem Quantencommitment und einem Quantenkanal allgemeine Protokolle für sichere Mehrparteienberechnung zu konstruieren, da die „Komponierbarkeit“ nicht gegeben ist, es ist also nicht sichergestellt, dass das gleichzeitige Verwenden zweier sicherer Primitive keine Sicherheitslücken erzeugt. Die Komponierbarkeit wurde jedoch später nachgewiesen.)
</p><p>Erste Versuche, Quanten-Commitmentverfahren zu konstruieren<sup id="cite_ref-brassard93commitment_8-0" class="reference"><a href="#cite_note-brassard93commitment-8"><span class="cite-bracket">[</span>8<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> waren fehlerhaft. Es konnte gezeigt werden, dass es unmöglich ist, Quanten-Commitmentverfahren zu konstruieren, die gegen unbeschränkte Angreifer sicher sind.<sup id="cite_ref-mayers97commitment_9-0" class="reference"><a href="#cite_note-mayers97commitment-9"><span class="cite-bracket">[</span>9<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>
Der Einsatz von Quantenkanälen erlaubt es jedoch, Commitmentverfahren unter wesentlich schwächeren Annahmen, als klassisch nötig sind, zu konstruieren.
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Bounded-_und_Noisy-Quantum-Storage-Modell">Bounded- und Noisy-Quantum-Storage-Modell</h2></div>
<p>Eine Möglichkeit, Quantencommitment und Quanten-OT zu erhalten, die gegen Angreifer ohne Laufzeitbeschränkung sicher sind, besteht darin, den Speicherplatz des Angreifers zu beschränken. Im <i>Bounded-Quantum-Storage-Modell</i> (BQSM) darf der Angreifer zwar eine beliebige Menge an klassischer Information speichern, sein Quantenspeicher ist jedoch durch eine Konstante <i>Q</i> beschränkt.
</p><p>Im BQSM lassen sich sichere Commitment- und OT-Protokolle konstruieren.<sup id="cite_ref-damgaard05bounded_10-0" class="reference"><a href="#cite_note-damgaard05bounded-10"><span class="cite-bracket">[</span>10<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Die zugrundeliegende Idee ist, dass die kommunizierenden Parteien mehr als <i>Q</i> <a href="Qubit" title="Qubit">Qubits</a> austauschen. Da der Angreifer maximal <i>Q</i> davon speichern kann, muss er den Rest messen oder verwerfen. Das erlaubt das Umgehen des oben erwähnten Unmöglichkeitsresultats.<sup id="cite_ref-mayers97commitment_9-1" class="reference"><a href="#cite_note-mayers97commitment-9"><span class="cite-bracket">[</span>9<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Die ehrlichen Protokollteilnehmer müssen dabei, ähnlich wie beim Quantenschlüsselaustausch, keine Quanteninformationen speichern; im Prinzip können die Protokolle also mit der existierenden Technologie bereits realisiert werden. Die dabei übertragene <a href="Datenmenge" title="Datenmenge">Datenmenge</a> ist ein konstantes Vielfaches der Schranke <i>Q</i>.
</p><p>Der Vorteil des BQSM ist, dass die Annahme des beschränkten Quantenspeichers ziemlich realistisch ist. Mit heutiger Technologie ist bereits das hinreichend lange Speichern eines einzigen Qubits eine Herausforderung. Die genaue Bedeutung von „hinreichend lange“ hängt dabei vom Protokoll ab, durch Einfügen einer Pause kann der Zeitraum aber beliebig verlängert werden.
</p><p>Eine Verallgemeinerung des BQSM ist das <i>Noisy-Storage-Modell</i> von Wehner, Schaffner und Terhal.<sup id="cite_ref-wehner07noisy_11-0" class="reference"><a href="#cite_note-wehner07noisy-11"><span class="cite-bracket">[</span>11<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> In diesem Modell ist der Quantenspeicher des Angreifers nicht beschränkt, er wird aber als verrauschter Kanal (<span style="font-style:normal;font-weight:normal"><a href="Englische_Sprache" title="Englische Sprache">englisch</a></span> <span lang="en-Latn" style="font-style:italic">noisy channel</span>) modelliert, d.&nbsp;h., es wird angenommen, dass beim Speichern <a href="Bitfehler" title="Bitfehler">Bitfehler</a> auftreten. Die Stärke des Rauschens ist dabei ein Parameter, für hinreichend starkes Rauschen können die gleichen Primitive realisiert werden wie im BQSM, das als Spezialfall angesehen werden kann.<sup id="cite_ref-koenig09noisy_12-0" class="reference"><a href="#cite_note-koenig09noisy-12"><span class="cite-bracket">[</span>12<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>
</p><p>Unter klassischen Bedingungen können ähnliche Ergebnisse erzielt werden wie im BQSM, wenn die Größe des klassischen Speichers als beschränkt angenommen wird.<sup id="cite_ref-cachin98memory_13-0" class="reference"><a href="#cite_note-cachin98memory-13"><span class="cite-bracket">[</span>13<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Die ehrlichen Protokollteilnehmer müssen dabei allerdings Daten in der Größenordnung der Quadratwurzel der Schranke speichern.<sup id="cite_ref-dziembowski04initial_14-0" class="reference"><a href="#cite_note-dziembowski04initial-14"><span class="cite-bracket">[</span>14<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Da bei den heutigen Speicherpreisen die Schranke für den Angreifer entsprechend hoch angesetzt werden muss, sind diese Protokolle nicht praktikabel.
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Positionsbasierte_Quantenkryptographie">Positionsbasierte Quantenkryptographie</h2></div>
<p>Positionsbasierte Kryptographie erlaubt es, den Aufenthaltsort einer Partei als <a href="Berechtigungsnachweis_(Identifikationstechnik)" title="Berechtigungsnachweis (Identifikationstechnik)">Berechtigungsnachweis</a> zu verwenden. Zum Beispiel kann eine Nachricht so verschlüsselt werden, dass sie nur gelesen werden kann, wenn sich der Empfänger an einem bestimmten Ort befindet. Bei der <i>Positionsverifizierung</i> möchte eine Partei beweisen, dass sie sich an einem bestimmten Ort aufhält. Dies ist mit klassischen Protokollen unmöglich, wenn alle verifizierenden Parteien unehrlich sind und zusammenarbeiten.<sup id="cite_ref-chandran09classical_15-0" class="reference"><a href="#cite_note-chandran09classical-15"><span class="cite-bracket">[</span>15<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Es kann also nur Verfahren geben, die gegen in irgendeiner Weise beschränkte Angreifer sicher sind.
</p><p>Die ersten positionsbasierten Quantenverfahren wurden 2002 unter dem Namen <i>Quantum Tagging</i> untersucht, aber erst 2010 veröffentlicht.<sup id="cite_ref-kent10first_16-0" class="reference"><a href="#cite_note-kent10first-16"><span class="cite-bracket">[</span>16<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Nachdem 2010 noch weitere Protokolle vorgestellt wurden,<sup id="cite_ref-Lau10insecurity_17-0" class="reference"><a href="#cite_note-Lau10insecurity-17"><span class="cite-bracket">[</span>17<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-Malaney10location_18-0" class="reference"><a href="#cite_note-Malaney10location-18"><span class="cite-bracket">[</span>18<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> konnte ein allgemeines Unmöglichkeitsresultat gezeigt werden:<sup id="cite_ref-buhrman10impossible_19-0" class="reference"><a href="#cite_note-buhrman10impossible-19"><span class="cite-bracket">[</span>19<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Wenn die Angreifer einen beliebig großen <a href="Quantenverschr%C3%A4nkung" title="Quantenverschränkung">verschränkten</a> Quantenzustand teilen, können sie immer vorgeben an einer bestimmten Position zu sein. Das schließt jedoch die Existenz von Protokollen in einem Bounded- oder Noisy-Quantum-Storage-Modell nicht aus.
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Post-Quanten-Kryptographie">Post-Quanten-Kryptographie</h2></div>
<div class="hauptartikel" role="navigation"><span class="hauptartikel-pfeil" title="siehe" aria-hidden="true" role="presentation">→&nbsp;</span><i><span class="hauptartikel-text">Hauptartikel</span>: <a href="Post-Quanten-Kryptographie" title="Post-Quanten-Kryptographie">Post-Quanten-Kryptographie</a></i></div>
<p>Gegenwärtig können nur extrem eingeschränkte <a href="Quantencomputer" title="Quantencomputer">Quantencomputer</a> konstruiert werden. Da es vorstellbar ist, dass in der Zukunft praktisch einsetzbare Quantencomputer gebaut werden können, ist es wichtig, kryptographische Verfahren zu untersuchen, die auch gegen Angreifer mit einem Quantencomputer sicher sind. Dieses Forschungsgebiet wird <a href="Post-Quanten-Kryptographie" title="Post-Quanten-Kryptographie">Post-Quanten-Kryptographie</a> genannt.
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Weblinks">Weblinks</h2></div>
<div class="sisterproject" style="margin:0.1em 0 0 0;"><span class="noviewer" style="display:inline-block; line-height:10px; min-width:1.6em; text-align:center;" aria-hidden="true" role="presentation"><span class="mw-default-size" typeof="mw:File"><span title="Wiktionary"></span></span></span><b><a href="https://de.wiktionary.org/wiki/Quantenkryptografie" class="extiw external" title="wikt:Quantenkryptografie">Wiktionary: Quantenkryptografie</a></b>&nbsp;– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen</div>
<ul><li><a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.golem.de/specials/quantenkryptographie/">golem.de/specials/quantenkryptographie</a> – Artikel zum Thema Quantenkryptografie auf <a href="Golem.de" class="mw-redirect" title="Golem.de">Golem.de</a></li></ul>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>
<ol class="references">
<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text"><span class="cite"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.nanalyze.com/2016/09/5-quantum-cryptography-encryption-companies/"><i>5 Quantum Cryptography and Quantum Encryption Companies.</i></a> nanalyze.com,<span class="Abrufdatum"> abgerufen am 16.&nbsp;Februar 2018</span> (englisch).</span><span style="display: none;" class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Adc&amp;rfr_id=info%3Asid%2Fde.wikipedia.org%3AQuantenkryptographie&amp;rft.title=5+Quantum+Cryptography+and+Quantum+Encryption+Companies&amp;rft.description=5+Quantum+Cryptography+and+Quantum+Encryption+Companies&amp;rft.identifier=https%3A%2F%2Fwww.nanalyze.com%2F2016%2F09%2F5-quantum-cryptography-encryption-companies%2F&amp;rft.publisher=nanalyze.com&amp;rft.language=en">&nbsp;</span></span>
</li>
<li id="cite_note-wiesner83conjugate-2"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-wiesner83conjugate_2-0">↑</a></span> <span class="reference-text">
Stephen Wiesner: <cite class="lang" lang="en" dir="auto" style="font-style:italic">Conjugate coding</cite>. In: <cite class="lang" lang="en" dir="auto" style="font-style:italic">SIGACT News</cite>. 15. Jahrgang, <span style="white-space:nowrap">Nr.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>1</span>. ACM, 1983, <a href="Internationale_Standardnummer_f%C3%BCr_fortlaufende_Sammelwerke" title="Internationale Standardnummer für fortlaufende Sammelwerke">ISSN</a>&nbsp;<span style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://zdb-katalog.de/list.xhtml?t=iss%3D%220163-5700%22&amp;key=cql">0163-5700</a></span>, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em">&nbsp;</span>78–88</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1145/1008908.1008920">10.1145/1008908.1008920</a></span> (englisch).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&amp;rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Quantenkryptographie&amp;rft.atitle=Conjugate+coding&amp;rft.au=Stephen%26%2332%3BWiesner&amp;rft.date=1983&amp;rft.doi=10.1145%2F1008908.1008920&amp;rft.genre=journal&amp;rft.issn=0163-5700&amp;rft.issue=1&amp;rft.jtitle=SIGACT+News&amp;rft.pages=78-88&amp;rft.place=New+York%2C+NY%2C+USA&amp;rft.pub=ACM&amp;rft.volume=15.+Jahrgang" style="display:none">&nbsp;</span> Manuscript written ca.~1970</span>
</li>
<li id="cite_note-BB84-3"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-BB84_3-0">↑</a></span> <span class="reference-text">
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