QUANTITY | Krypto

Das Projekt „Quantum-Assisted Cryptanalysis“ (QUANTITY) ist eines der Projekte aus der Quan-tencomputing-Initiative und wird geleitet vom Institut für Kommunikation und Navigation (KN). Das Projekt betrachtet die signifikanten Auswirkungen der raschen Entwicklungen in den letzten Jahren im Bereich „Quanten-Computing“ auf das Sicherheitsniveau von Verschlüsselungssyste-men, welche heutzutage in vielen Bereichen extensiv verwendet werden.
Um das Sicherheitsniveau von Kryptosystemen im Zeitalter leistungsfähiger Quantencomputer bestimmen zu können ist es essentiell die kryptographische Relevanz von Quantenalgorithmen tiefgründig zu verstehen. Aktuell gelten Kryptosysteme als „Quantencomputer-resistent“, wenn sie Angriffen Mittels der Quantenalgorithmen von Shor und Grover standhalten.
Im Projekt QUANTITY wird die Anwendung von Quantenalgorithmen in Kryptanalysemethoden für Quantencomputer-resistente Kryptosysteme entwickelt und analysiert, um die Sicherheit von Kryptosystemen in der Gegenwart leistungsfähiger Quantencomputer bestimmen zu können. Hierbei werden zunächst potentielle Beschleunigungen klassischer Kryptanalysemethoden mittels Quantenalgorithmen bzw. die kryptographische Relevanz existierender Quantenalgorithmen ana-lysiert. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden zusammen mit dem Industriepartner neuartige Quantencomputer-unterstützte Kryptanalysemethoden entwickelt.
Die entwickelten Quantencomputer-unterstützten Kryptanalysemethoden werden mittels einer Proof-of-Concept Implementierung der klassischen Anteile (DLR) sowie der Quantenanteile (In-dustrie) validiert.
Die Ergebnisse des Projekts liefern neben einer Analyse des Sicherheitsniveaus von Quantencom-puter-resistenten Verschlüsselungsverfahren in der Gegenwart leistungsfähiger Quantencompu-ter Leitlinien zur Entwicklung neuartiger Quantencomputer-resistenter Verschlüsselungsverfah-ren.
Weitergehende Anforderungen zum Projekt und zur Leistung sind den Vergabeunterlagen in den Anlagen 01_Projektbeschreibung und 02_Leistungsbeschreibung zu entnehmen.

Der Industriepartner arbeitet an der Bestimmung des Sicherheitsniveaus von kryptographischen Systemen im Zeitalter von leistungsfähigen Quantencomputern und leistet somit einen essentiellen Beitrag zur langfristigen Sicherstellung der Vertraulichkeit, Authentizität, sowie Integrität von übertragenen sowie gespeicherten Daten. Nicht zuletzt seit Bekanntwerden der kryptographischen Relevanz der Algorithmen von Shor und Grover spielen hierbei Quantenalgorithmen eine zentrale Rolle. Neben den bekannten Auswirkungen der Quantenalgorithmen von Shor und Grover sind wenige Kryptanalyseansätze, gerade im Bereich der codierungsbasierten Quantencomputer-resistenten Kryptosysteme, bekannt. Daher ist die Analyse der kryptographischen Relevanz bzw. die Identifizierung des Beschleunigungspotentials von klassischen Kryptanalysemethoden ein wichtiger Bestandteil zur Sicherstellung der langfristigen Datensicherheit bzw. für die Entwicklung zukünftiger Kryptosysteme welche resistent gegen Quantenangriffe sein sollen.
Im Projekt QUANTITY werden erste Schritte in Richtung Quantencomputer-unterstützter Kryptanalysemethoden gemacht. Hierbei soll vor allem für die Identifizierung potentiell Krypto-relevanter Quantenalgorithmen, der Herleitung von geeigneten Komplexitätsmetriken für Quantenalgorithmen bzw. Operationen sowie die Proof-of-Concept Implementierung der Quantenanteile der entwickelten Kryptanalysemethoden durch einen Industriepartner unterstützt werden.
Beschreibung der Aufgaben:
• Analyse von potentiell Krypto-relevanten algebraisch-basierten Quantenalgorithmen wie z.B. HHL und QAOA. Ziel der Analyse ist es, die potenzielle kryptographische Relevanz von Quantenalgorithmen, also die Anwendbarkeit von Quantenalgorithmen auf kryptographische Primitive, zu bestimmen.
o Analyse vorrangig als Literaturrecherche existierender Quantenalgorithmen
o Vorläufige Bewertung der Kryptografischen Relevanz anhand identifizierter Operationen aus der klassischen Kryptanalyse
o Identifizierungen potenziell Krypto-relevanter Quantenalgorithmen zur Beschleunigung existierender Kryptanalysemethoden
• Herleitung von Komplexitätsmetriken, welche zur Bestimmung des Sicherheitsniveaus von kryptographischen Systemen verwendet werden können. Komplexitätsmetriken spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Sicherheitsniveaus von Kryptosystemen. Ziel ist es Komplexitätsmetriken abzuleiten, welche es erlauben die langfristige Sicherheit von Quantencomputer-resistenten Kryptosystemen bestmöglich abzuschätzen.
o Geeignete Komplexitätsmetriken bezüglich Quantenoperationen
o Identifizierung von weiteren Indikatoren wie z.B. Memory
• Komplexitätsanalyse von Quantenalgorithmen bezüglich kryptographisch-relevanter Komplexitätsmetriken,
• Implementierung von Quantenalgorithmen inkl. Programmierung eines Interfaces für klassische Anteile.
o Implementierung oder Simulation der entwickelten Quantencomputer unterstützten Kryptanalysemethoden
o Implementierung eines Interface zu den klassischen Anteilen
o Dokumentation der jeweiligen Implementierungen