Darum gehts
- ETH-Forscher erschaffen erstmals beweisbar perfekten Zufall
- Schwacher Zufall ermöglicht Hackern, Verschlüsselungen zu knacken
- Neue Technik soll E-Banking und private Chats langfristig schützen
Ein Forscherteam der ETH Zürich hat einen Meilenstein erreicht, der unser digitales Leben verändern könnte: Die Forscher haben den ersten «perfekten Zufall» erschaffen.
Das Team rund um die beiden Professoren Renato Renner (Institut für Theoretische Physik) und Andreas Wallraff (Laboratorium für Festkörperphysik) hat ihre Erkenntnisse heute im renommierten Fachjournal «Nature» veröffentlicht.
Der «falsche» Zufall
Ob beim Online-Shopping oder beim Versenden von verschlüsselten Nachrichten: Im Hintergrund arbeiten ständig Zufallsgeneratoren. Doch echten Zufall gab es bisher nicht. «Es ist praktisch unmöglich, eine perfekte Münze für einen Wurf oder einen perfekten Würfel herzustellen», sagt Renato Renner. Ein echter Würfel hat immer winzige Macken, wodurch eine Zahl minimal öfter oben liegt als andere. Auch Computer-Generatoren haben solche Schlagseiten. Für Cyberkriminelle ist das ein gefundenes Fressen. Wenn sie die winzigen Muster erkennen, können sie Verschlüsselungen knacken. «Es gibt eine ganze Liste erfolgreicher Attacken, die durch nicht-perfekten Zufall ermöglicht wurden», erklärt Renner.
Die «Zufallsverstärkung»
Den ETH-Forschern ist jetzt gelungen, aus einer ungenauen Zufallszahl den «absolut perfekten Zufall» zu destillieren. Ihre Methode nennen sie Zufallsverstärkung. Die Technik, die das möglich macht, klingt nach Science-Fiction: Zwei Quantenchips werden auf extreme Kälte abgekühlt und durch ein 30 Meter langes Rohr verbunden. Über Mikrowellen werden die Chips «verschränkt». Das bedeutet: Misst man am einen Chip eine Zahl, beeinflusst das sofort das Ergebnis am anderen und das über die Distanz von 30 Metern.
Diese Distanz ist entscheidend: Sie stellt sicher, dass während der Messung keine Information zwischen den Chips ausgetauscht werden kann – nicht einmal mit Lichtgeschwindigkeit. Damit ist bewiesen, dass das Ergebnis nicht manipuliert oder vorhergesagt werden kann. Ein spezieller Algorithmus der Forscher nutzt diese Quanteneffekte dann, um die Zufälligkeit zu verstärken. «Die daraus erzeugte Abfolge von 0 und 1 ist dann wirklich perfekt zufällig, und das können wir sogar zertifizieren», sagt Renner.
Der Zufall als Service
Die Forscher vergleichen ihren Durchbruch mit der Atomuhr: Wir alle nutzen diese Technologie heute täglich, ohne dass wir es merken, etwa wenn wir GPS nutzen oder die Zeit auf dem Handy ablesen. In der Schweiz ist das Bundesamt Metas dafür zuständig, die Zeit dieser Atomuhren allen zugänglich zu machen.
So soll auch der perfekte Zufall zu uns kommen: Die ETH-Technik könnte die Basis für einen vergleichbaren, öffentlichen Service bilden. Der perfekte Zufall wird dabei zentral in Rechenzentren erzeugt und übers Internet als Dienst für unsere Geräte bereitgestellt. «Die bedeutendste Anwendung wird wohl sein, unsere Privatsphäre zu schützen», sagt Renner.
Die ETH-Methode ist auch ein Puzzleteil im Kampf gegen den sogenannten «Q-Day», jenen Tag, an dem Quantencomputer real und so stark sein werden, dass sie heutige Verschlüsselung knacken können. «Ein Quantencomputer schafft es, Muster in nicht-perfektem Zufall zu finden, die ein herkömmlicher Computer nicht erkennen kann», sagt Renner. Zwar ist der perfekte Zufall allein noch kein Allheilmittel gegen diese kommenden Superrechner, aber er ist ein wichtiges Fundament für die Sicherheit. Zusammen mit neuen, quantensicheren Standards wie «Kyber» – der massgeblich von IBM-Forschern in Zürich mitentwickelt wurde – sorgt der perfekte Würfelwurf der ETH dafür, dass unsere Privatsphäre vom E-Banking bis zum privaten Chat auch in Zukunft sicher bleibt.