PQC – Post-Quanten-Kryptografie
Post-Quanten-Kryptografie (PQC) bezeichnet kryptografische Algorithmen, die so konzipiert sind, dass sie sowohl gegen Angriffe von klassischen als auch von Quantencomputern sicher sind. Sobald leistungsfähige Quantencomputer verfügbar sind, werden sie in der Lage sein, weit verbreitete Public-Key-Algorithmen (RSA, ECC, DH) in wenigen Minuten zu brechen – eine Bedrohung für die Sicherheit aller digitalen Systeme, vom Bankwesen bis zur Landesverteidigung.
Warum Post-Quanten-Kryptografie dringend ist
| Aktueller Algorithmus | Bedrohung durch Quantencomputer | Zeitplan |
|---|---|---|
| RSA-2048 | Durch Shor-Algorithmus gebrochen | Geschätzt 2030–2035 |
| ECDSA / ECDH (P-256) | Durch Shor-Algorithmus gebrochen | Geschätzt 2030–2035 |
| AES-256 | Geschwächt (Grover), bei 256 Bit noch sicher | Handhabbar – Schlüssellängen verdoppeln |
| SHA-256 | Geschwächt (Grover), noch sicher | Handhabbar – SHA-384/512 verwenden |
„Jetzt sammeln, später entschlüsseln“ – Angreifer sammeln bereits heute verschlüsselte Daten, um sie zu entschlüsseln, sobald Quantencomputer verfügbar sind. Alle Daten, die über das Jahr 2030 hinaus vertraulich bleiben müssen, benötigen jetzt PQC-Schutz.
NIST-PQC-Standards (finalisiert 2024)
Nach einem achtjährigen Evaluierungsprozess hat das NIST drei primäre PQC-Algorithmen standardisiert:
Schlüsselkapselungsmechanismus (KEM)
| Standard | Algorithmus | Familie | Schlüsselgröße | Leistungsfähigkeit |
|---|---|---|---|---|
| FIPS 203 (ML-KEM) | CRYSTALS-Kyber | Gitterbasiert | 800–1568 Bytes | Sehr schnell |
Digitale Signaturen
| Standard | Algorithmus | Familie | Signaturgröße | Leistungsfähigkeit |
|---|---|---|---|---|
| FIPS 204 (ML-DSA) | CRYSTALS-Dilithium | Gitterbasiert | 2420–4627 Bytes | Schnell |
| FIPS 205 (SLH-DSA) | SPHINCS+ | Hashbasiert | 7856–49856 Bytes | Langsamer, aber minimale Annahmen |
Vergleich mit klassischen Algorithmen
| Metrik | RSA-2048 | ECDSA P-256 | ML-DSA-65 (PQC) | SLH-DSA (PQC) |
|---|---|---|---|---|
| Größe des öffentlichen Schlüssels | 256 Bytes | 64 Bytes | 1952 Bytes | 32–64 Bytes |
| Signaturgröße | 256 Bytes | 64 Bytes | 3309 Bytes | 17088 Bytes |
| Quantensicher | ? Nein | ? Nein | ? Ja | ? Ja |
| Standardisiert | Ja (Legacy) | Ja (Legacy) | Ja (FIPS 204) | Ja (FIPS 205) |
PQC für eingebettete Systeme und IoT
PQC bringt spezifische Herausforderungen für eingebettete Systeme und IoT-Geräte mit sich:
Herausforderungen
- Größere Schlüssel- und Signaturlängen – ML-DSA-Signaturen sind ca. 50-mal länger als ECDSA-Signaturen, was sich auf Bandbreite und Speicher auswirkt.
- Höherer Rechenaufwand – Gitterbasierte Operationen erfordern mehr RAM und CPU-Zyklen als ECC.
- Auswirkungen auf OTA-Updates – Signierte Firmware-Updates werden größer, was die Update-Zeit über beschränkte Netzwerke (LoRaWAN, NB-IoT) beeinflusst.
- Hardwarebeschleunigung – Dedizierte PQC-Beschleuniger-IP-Blöcke können für ressourcenbeschränkte Geräte erforderlich sein.
Lösungen
- Hybride Kryptografie – Ausführung von sowohl klassischen (ECDSA) als auch PQC-Signaturen (ML-DSA) während der Übergangszeit.
- Hardware-PQC-Beschleuniger – FPGA- und ASIC-Implementierungen von gitterbasierten Operationen für das IoT.
- Updates für Secure Elements – Hersteller wie STMicroelectronics, Infineon und NXP fügen bestehenden Secure Elements PQC-Firmware-Upgrade-Pfade hinzu.
- FPGA-basierte PQC – FPGAs ermöglichen im Feld aktualisierbare kryptografische Kerne ohne neue Chip-Revisionen (Respins).
PQC und EU-Verordnungen
Die EU-Cyberresilienz-Verordnung (CRA) fordert, dass Produkte Kryptografie nach dem Stand der Technik verwenden. Da die NIST-PQC-Standards nun final sind, wird die Einführung von PQC zu einem Aspekt der Konformität:
- Produkte mit langer Betriebsdauer (10–15 Jahre für industrielles IoT) müssen Daten schützen, die auch dann noch vertraulich sein werden, wenn Quantencomputer verfügbar sind.
- Es wird erwartet, dass das Europäische Zertifizierungsschema für Cybersicherheit (EUCC) für Zertifizierungen mit hohem Vertrauensniveau (High Assurance) PQC-Fähigkeit voraussetzen wird.
Migrationszeitplan
| Phase | Zeitraum | Maßnahme |
|---|---|---|
| Bestandsaufnahme | 2024–2025 | Inventarisierung aller kryptografischen Abhängigkeiten (CBOM) |
| Hybride Bereitstellung | 2025–2028 | Paralleler Einsatz von klassischen und PQC-Algorithmen für kritische Systeme |
| PQC-primär | 2028–2030 | PQC als Standard, klassisch als Fallback |
| Nur PQC | 2030+ | Vollständige Migration, Abkündigung von RSA/ECC |
Verwandte Begriffe
- Secure Boot (authentifizierter Systemstart) – Firmware-Verifikation, die auf PQC-Signaturen umgestellt werden muss.
- HSM – Hardwaremodule, die Unterstützung für PQC-Algorithmen benötigen.
- EU-Cyberresilienz-Verordnung – Verordnung, die Kryptografie nach dem Stand der Technik vorschreibt.
Unsere Architektur für Embedded Security umfasst eine PQC-Reifegradbewertung – wir identifizieren, welche kryptografischen Primitive in Ihrem Produkt auf Post-Quanten-Algorithmen umgestellt werden müssen, und entwerfen FPGA-basierte PQC-Beschleuniger für ressourcenbeschränkte eingebettete Geräte.
Offizielle Referenzen
- NIST Post-Quantum Cryptography Standards – FIPS 203, 204, 205 – NIST, Computer Security Resource Center