In unserer hoch vernetzten Welt hängen wir täglich von verschlüsselten Kommunikationsmethoden ab, sei es beim Online-Shopping, digitalen Dokumentsignaturen, Banktransaktionen oder dem Überprüfen unserer Schritte auf Fitness-Trackern. Diese Verschlüsselung verwandelt Daten in unlesbare Formate, um unsere Informationen sicher zu halten. Doch die heutige Verschlüsselung steht unter enormem Druck. Kyberkriminelle sind zunehmend raffiniert, und unsere Netzwerke, die mit Cloud-Diensten und Drittanbieter-Plattformen verflochten sind, sind verletzlicher als je zuvor. JP Morgan berichtet, dass es täglich 45 Milliarden Hackversuche abwehrt. Der größte Bedrohungsfaktor ist jedoch etwas, das als Y2Q oder Q-Day bezeichnet wird: der Tag, an dem Quantencomputer die meisten derzeitigen Verschlüsselungsmethoden überflüssig machen. Um den Umfang dieser Bedrohung zu verstehen, könnte ein Quantencomputer in einem Tag das schaffen, was die aktuell schnellste Supercomputer-Technologie der Welt Jahrtausende benötigen würde: die RSA-2048-Verschlüsselung brechen, einen Algorithmus, der die Grundlage der Internet-Sicherheit bildet. Es ist nicht übertrieben zu sagen, dass ohne Verschlüsselung die gesamte Sicherheit unserer vernetzten Welt zusammenbrechen und die Stabilität der Gesellschaft gefährdet werden würde. Während Y2Q möglicherweise noch Jahre entfernt ist, gibt es auch ein wachsendes Bedürfnis, die Widerstandsfähigkeit der Verschlüsselung zu stärken. "Ernten jetzt, entschlüsseln später"-Angriffe steigern sich, bei denen Kyberkriminelle heute verschlüsselte Daten sammeln, um sie später zu entschlüsseln, wenn Quantenwerkzeuge verfügbar sind. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, entwickelt ein interdisziplinäres Forschungsteam der Boston University eine physik-inspirierte Herangehensweise an die Datensicherheit und -Privatsphäre. Ihre Methode rekonzipiert die Grundlagen der Verschlüsselungsverfahren und verspricht, robuster, skalierbarer und besser auf die zukünftigen Bedrohungen vorbereitet zu sein. Das Team, das auch Kooperationspartner von Cornell University und der University of Central Florida einschließt, hat kürzlich einen Artikel in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht, der einige der Ideen hinter ihrem kryptographischen Ansatz darstellt. Der Hauptuntersucher, Andrei Ruckenstein, ein ausgezeichneter Physikprofessor am College of Arts & Sciences der Boston University, sagt: "Wir befinden uns in einer neuen Technologieära, in der die Grenzen der Rechenfähigkeiten an der Schnittstelle zwischen klassischer und Quantenrechnung, KI und Datensicherheit liegen. Die dringendsten und komplexesten Herausforderungen in diesen Bereichen, wie zum Beispiel den Schutz sensibler Daten oder die Vorbereitung auf die Quantenbedrohung, können nicht mit den aktuellen Verschlüsselungs- und Sicherheitsmethoden bewältigt werden. Das Aufregende an dieser Arbeit ist, dass sie einen echten Paradigmenwechsel darstellt und neue Möglichkeiten bietet, die nur durch die Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen ermöglicht werden." Quantenrechnung nutzt ungewöhnliche Eigenschaften sehr kleiner Partikel—wo Partikel gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren können (Quantensuperposition) und über Entfernungen verbunden bleiben (Verschränkung)—was es einem Quantencomputer ermöglicht, viele Möglichkeiten gleichzeitig zu erkunden und bestimmte Berechnungen erheblich zu beschleunigen. "Unser Ansatz ist inhärent widerstandsfähig gegen sowohl klassische als auch Quantenangriffe," erklärt Ruckenstein. "Er würde nicht nur das öffentliche Vertrauen in KI-Systeme stärken, sondern auch neue Möglichkeiten für datengeführte, gesellschaftlich verantwortliche Innovationen eröffnen." Die moderne Verschlüsselung, die vor etwa 50 Jahren entwickelt wurde, konnte die heutigen Rechenanforderungen nicht voraussehen—geschweige denn die des Quantenzeitalters. Diese Systeme basieren auf schwer löslichen mathematischen Problemen und schützen hauptsächlich Daten in Transit oder in Ruhe—was sie während der Verwendung anfällig macht. Dies stellt ein Problem für datenintensive Anwendungen wie KI-Trainingsmodelle dar, die große Mengen an Daten verarbeiten, die oft privat oder vertraulich sind. Aktuelle Ansätze erfordern in der Regel, dass Modelle die Daten während des Trainings entschlüsseln, was sie angreifbar macht, oder sie verwenden Datenschutztechniken, die die Verarbeitungsgeschwindigkeit verlangsamen und es schwierig machen, sie in großem Maßstab anzuwenden. Das vom BU geleitete NSF-Projekt bietet einen neuen Weg. Das vorgeschlagene Schema, Encrypted Operator Computing (EOC), vereint Physik, Informatik und Mathematik, um skalierbare Methoden zur Berechnung direkt auf verschlüsselten Daten zu entwickeln—ein lang gesuchtes Ziel der Kryptographie. EOC erlaubt es Benutzern, vertrauliche Daten zu bearbeiten und Erkenntnisse daraus zu ziehen, ohne jemals die Rohdaten Drittparteien zu offenbaren. Diese Schutzhöhe und Privatsphäre sind für Anwendungen wie Blockchain-Transaktionen, medizinische KI-Modelle und Cloud-Dienste unerlässlich. "Obwohl unsere EOC-Methode für klassische Computer konzipiert ist, die klassische Berechnungen durchführen, stammt der grundlegende Durchbruch dahinter aus der Quantenrechnung," sagt Claudio Chamon, ebenfalls Physikprofessor am College of Arts & Sciences der Boston University. "Beim Bewältigen der realen Herausforderung, Berechnungen auf verschlüsselten Daten durchzuführen, stoßen wir auch auf grundlegende Fragen, wie zum Beispiel, auf wie viele verschiedene Arten eine bestimmte Berechnung für eine feste Schaltkreislänge ausgedrückt werden kann. Wir stellen diese Fragen in Beziehung zu thermodynamischen Konzepten wie 'Entropie', die beschreiben, wie unberechenbar oder zufällig ein System basierend auf der Anzahl der Möglichkeiten, wie es angeordnet werden kann, ist." Das Papier schlägt einen dynamischen Prozess vor, um Schaltkreise zu verkomplizieren oder zu "verstecken", indem Gatter neu sortiert und ihre Struktur zufällig gemacht wird, ohne deren Funktion zu ändern. Ziel ist es, nicht nur schnell Informationen zu verschlüsseln, sondern auch gründlich—alle Muster zerstörend, sodass ein Programm unmöglich zu reverse engineer ist. Das Team strebt an, eine vertrauenswürdige Umgebung zu schaffen, in der sowohl die Daten als auch die Programme, die die Daten verwenden, verborgen bleiben. "Programm-Verkomplizierung ist ein extrem mächtiges und vielseitiges Konzept, um Daten, ihre Verarbeitung und ihre verschiedenen Anwendungen in verschiedenen Szenarien und über die Zeit hinweg zu schützen," sagt Ran Canetti, Professor für Informatik am College of Arts & Sciences der Boston University. "Sie ist jedoch bislang sehr schwer zu konstruieren: Bis heute gibt es kein allgemein einsetzbares Programm-Verkomplizierungsverfahren, das auch nur annähernd praktikabel wäre. Dieses aufregende Projekt hat das Potenzial, Programm-Verkomplizierung zur Realität werden zu lassen." Das Projekt zielt darauf ab, diese kryptographischen Konzepte in praktische Werkzeuge zu verwandeln. Gemeinsam wird das Team den EOC-Rahmen in skalierbare, spezialisierte Hardware integrieren, wobei physik-inspirierte Einsichten über Informationen mit fortgeschrittener Kryptographie und reiner Mathematik kombiniert werden. Das Ziel ist es, die Leistung zu beschleunigen und sicheres, datenschutzfreundliches Rechnen für praktische Anwendungen zugänglich zu machen. "Indem wir Expertenwissen aus verschiedenen Bereichen kombinieren, können wir Probleme aus mehreren Perspektiven gleichzeitig angehen—sei es, dass wir das quantenmechanische Verhalten verstehen, neue Algorithmen entwickeln oder bessere Hardware bauen," sagt Eduardo R. Mucciolo, Professor für Physik an der University of Central Florida. "Diese Synergie beschleunigt die Entwicklung und ermöglicht es uns, viel tiefer zu tauchen als jede einzelne Disziplin alleine. Wir entdecken Verbindungen, die ohne diese Art von interdisziplinärer Perspektive nicht sichtbar wären." Timothy Riley, Professor für Mathematik an der Cornell University, betont, dass die Zusammenarbeit über Disziplinen hinweg eine "seltene und kostbare Gelegenheit" darstellt, die es den Forschern ermöglicht, "sich gegenseitig zu verstehen, voneinander zu lernen und die Modelle, Probleme und Abstraktionen zu teilen, die unsere Arbeit treiben." Canetti, Chamon und Ruckenstein konnten ihre Arbeit dank der Unterstützung des Quantum Convergence Focused Research Programms des Hariri Instituts vorantreiben, das konvergierendes Denken und interdisziplinäre Zusammenarbeit an der Boston University fördert. Alle drei BU-Forscher sind mit dem Institut verbunden. "Die Ausbreitung der digitalen Infrastruktur erfordert stärkere Sicherheit, um unsere Wirtschaft, Privatsphäre und nationale Interessen zu schützen," sagt Yannis Paschalidis, ausgezeichneter Ingenieurprofessor am College of Engineering der Boston University und Direktor des Hariri Instituts sowie Mitglied der Aufgabenkraft für konvergierende Forschung und Bildung der Universität. "Die Bewältigung dieser komplexen Herausforderungen erfordert den Abriss von Silos. Diese Arbeit zeigt, wie konvergierende Forschung realen Einfluss haben und völlig neue technologische Horizonte erschließen kann." Die vorgeschlagene EOC-Methode wird als wichtiger Schritt in Richtung eines sichereren und datenschutzfreundlicheren Rechnens angesehen. Sie verspricht, die Lücken in der heutigen Verschlüsselung zu schließen und die digitale Welt auf die Herausforderungen des Quantencomputing vorzubereiten. Die Kombination von Physik, Informatik und Mathematik bietet innovative Lösungen, die das Vertrauen in digitale Systeme stärken und neue Möglichkeiten für gesellschaftlich verantwortliche Innovationen eröffnen. Das Projekt unterstreicht die Notwendigkeit interdisziplinärer Zusammenarbeit, um komplexe technologische Herausforderungen effektiv zu lösen.