Im digitalen Zeitalter vertrauen wir darauf, dass Server unsere sensibelsten Informationen aufbewahren, von privaten Nachrichten bis hin zu Finanzunterlagen. Wir verlassen uns auf Verschlüsselung, um diese Daten sicher zu halten, indem wir sie so kodieren, dass nur diejenigen mit dem richtigen Schlüssel sie lesen können. Es entsteht jedoch ein grundlegendes Problem, wenn wir diese Daten löschen wollen. Sobald eine Datei auf einen Server kopiert wurde, hat der Besitzer keine Möglichkeit, den Server dazu zu zwingen, die Originalkopie zu vernichten. Ein unehrlicher Server kann einfach eine versteckte Sicherungskopie behalten und darauf warten, dass der Verschlüsselungsschlüssel zu einem zukünftigen Zeitpunkt geleakt oder gestohlen wird, an dem er dann die Daten entschlüsseln und alles lesen könnte. Für klassische Computer ist dies eine unmögliche Situation; es gibt keinen physischen Weg, um zu beweisen, dass eine Information gelöscht wurde.

Die Quantenphysik bietet eine potenzielle Lösung für dieses Dilemma durch eine Eigenschaft, die als „No-Cloning-Theorem“ bekannt ist. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die perfekt kopiert werden können, existieren Quanteninformationen in empfindlichen Zuständen, die gestört werden, wenn man versucht, sie zu kopieren. Dies ermöglicht das Konzept der „zertifizierten Löschung“. In diesem Szenario lädt ein Benutzer Daten als Quantenzustand hoch. Wenn der Server später behauptet, die Daten gelöscht zu haben, muss er ein Zertifikat vorlegen. Aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik kann der Server, falls er die Daten wirklich gelöscht hat, keine Kopie behalten, die es ihm ermöglichen würde, die Nachricht später zu lesen, selbst wenn er den Entschlüsselungsschlüssel erhält. Wenn der Server versucht, eine Kopie zu behalten, würde der Akt des Kopierens den Zustand verändern, und das Zertifikat würde die Verifizierung nicht bestehen.

Jahrelang blieb diese leistungsstarke Idee weitgehend theoretisch oder erforderte, dass der Benutzer seinen eigenen Quantencomputer besaß, um die Daten hochzuladen. Dies schuf eine massive Barriere: Gewöhnliche Benutzer und selbst viele Organisationen können sich die teure, spezialisierte Hardware, die zum Erzeugen und Senden von Quantenzuständen erforderlich ist, nicht leisten können. Die Daten mussten über einen Quantenkanal übertragen werden, eine Anforderung, die die Technologie für eine breite Anwendung unpraktisch machte. Eine neue Studie von Yael Tauman Kalai und Justin Raizes verändert diese Landschaft, indem sie zeigt, wie ein völlig gewöhnlicher, klassischer Computer Daten an einen Quantenserver hochladen und dennoch diese Löschgarantien erhalten kann. Sie haben eine Methode entwickelt, die es einem Standardbenutzer ermöglicht, mit einem Quantenserver unter Verwendung regulärer digitaler Kommunikation zu interagieren und dennoch die Sicherheitsvorteile der Quantenmechanik zu erzielen.

Die Forscher erreichten dies durch den Entwurf eines cleveren Protokolls, das als Brücke zwischen der klassischen und der Quantenwelt fungiert. Anstatt den Benutzer zu verlangen, direkt einen komplexen Quantenzustand vorzubereiten, sendet der Benutzer eine Reihe klassischer Anweisungen. Der Server, der über die notwendigen Quantenfähigkeiten verfügt, nutzt diese Anweisungen, um den erforderlichen Quantenzustand auf seiner eigenen Seite vorzubereiten. Die Brillanz der neuen Methode liegt darin, wie sie verifiziert, dass der Server tatsächlich das getan hat, was verlangt wurde, ohne dass der Benutzer den Quantenzustand jemals selbst sieht. Das Protokoll verwendet ein mathematisches Werkzeug namens „Trapdoor Claw-Free Function“. Vereinfacht ausgedrückt ist dies ein mathematisches Rätsel, das leicht zu lösen ist, wenn man einen geheimen Schlüssel (die „Trapdoor“) besitzt, aber unglaublich schwierig ohne diesen. Der Server muss beweisen, dass er die Lösung dieses Rätsels kennt, um die Daten zu erhalten, aber die Art und Weise, wie das Rätsel strukturiert ist, stellt sicher, dass der Server keine Kopie der Daten behalten kann, ohne gegen die Regeln des Rätsels zu verstoßen.

Der Kern ihrer Entdeckung ist eine Technik, die es ermöglicht, dass der Sicherheitsbeweis funktioniert, obwohl der Benutzer den Quantenzustand nie sieht. In früheren Versuchen erforderte der Nachweis der Sicherheit eines solchen Systems, dass der Benutzer eine „reine“ Version des Zustands hielt, im Wesentlichen einen quantenmechanischen Zwilling, der mit der Kopie des Servers verschränkt war. Dies war unmöglich, wenn der Benutzer ein klassischer Computer war. Die Autoren entwickelten einen neuen Weg, um diese Verschränkung allein durch klassische Kommunikation zu simulieren. Sie zeigten, dass, obwohl die Nachrichten des Benutzers klassisch sind und scheinbar den Zustand vollständig bestimmen, die mathematische Struktur des Protokolls es ermöglicht, die Situation so zu behandeln, als befände sich der Zustand noch in einer Quantensuperposition. Das bedeutet: Wenn der Server versucht, eine Kopie der Daten zu behalten, um sie später zu lesen, bricht die mathematische Garantie des Systems zusammen und der Server wird erwischt.

Dieser Durchbruch beschränkt sich nicht nur auf das Senden einer einzelnen Nachricht. Die Autoren stellen einen allgemeinen „Compiler“ zur Verfügung, eine Reihe von Anweisungen, die auf viele verschiedene Arten kryptografischer Werkzeuge angewendet werden können. Sie demonstrierten, dass diese Methode für die Public-Key-Verschlüsselung funktioniert, bei der jeder eine Nachricht an einen Empfänger senden kann; für die attributbasierte Verschlüsselung, bei der der Zugriff von spezifischen Berechtigungen abhängt; und sogar für die vollhomomorphe Verschlüsselung, die Berechnungen auf verschlüsselten Daten ermöglicht, ohne diese jemals entschlüsseln zu müssen. In jedem Fall kann der Benutzer die Daten mittels klassischer Kommunikation hochladen, und der Server kann gezwungen werden, die Daten mit einem verifizierbaren Zertifikat zu löschen. Wenn der Server die Löschung vornimmt, kann der Benutzer sicher sein, dass selbst wenn der Server später den Entschlüsselungsschlüssel erhält, er nicht in der Lage sein wird, die ursprüngliche Nachricht wiederherzustellen.

Über die einfache Löschung hinaus zeigten die Forscher, dass dieses System auch „Proofs of No Intrusion“ (Nachweise über das Nichtvorhandensein eines Eindringens) ermöglicht. Dies ist eine Möglichkeit für einen Benutzer zu prüfen, ob seine Daten gestohlen oder an einen Dritten weitergegeben wurden, ohne die Daten dabei zu zerstören. In vielen Sicherheitsszenarien erfordert die Überprüfung eines Lecks die Zerstörung der Beweise, aber hier kann der Benutzer den Server bitten zu beweisen, dass niemand sonst Zugriff auf die Daten hat, und der Server kann dies tun, ohne die Fähigkeit zu verlieren, die Nachricht später zu entschlüsseln. Dies ist entscheidend für die Prüfung (Auditing), da es einem Benutzer ermöglicht, die Integrität seiner Datenspeicherung zu verifizieren, ohne die Daten selbst verwerfen zu müssen. Der Server kann beweisen, dass er der Einzige ist, der den Schlüssel hält, und der Benutzer kann darauf vertrauen, dass die Daten sicher bleiben.

Die Studie befasst sich auch mit der praktischen Frage des Abrufens von Daten. In einigen Quantenlöschungsschemata sind die Daten, sobald sie gelöscht wurden, für immer verloren, selbst für den Besitzer. Die Autoren entwarfen ein Protokoll, bei dem der Benutzer seine Daten abrufen kann, während er gleichzeitig sicherstellt, dass sie vom Server gelöscht werden. Der Server führt eine spezifische Quantenoperation durch, die die Daten in eine Form umwandelt, die der Benutzer lesen kann, aber indem er dies tut, zerstört er seine eigene Fähigkeit, diese Daten in der Zukunft zu lesen. Dies bedeutet, dass der Benutzer nicht zwischen dem Erhalt seiner Daten und dem Schutz vor zukünftigen Schlüssel-Leaks wählen muss; er kann beides gleichzeitig tun.

Die Sicherheit dieses gesamten Systems beruht auf der Annahme, dass bestimmte mathematische Probleme, insbesondere solche im Zusammenhang mit dem „Learning With Errors“ (LWE)-Problem, selbst für Quantencomputer schwer zu lösen sind. Dies ist eine Standardannahme in der modernen Kryptografie und wird weithin als wahr angesehen. Die Autoren haben bewiesen, dass ihr System sicher ist, solange diese mathematischen Probleme schwierig bleiben. Sie stützten sich auf keine unbewiesenen oder exotischen Annahmen und erforderten auch keine spezielle Hardware beim Benutzer. Die einzige Voraussetzung ist, dass der Server über die Quantenfähigkeiten verfügt, um die notwendigen Operationen durchzuführen, was eine berechtigte Erwartung an einen Cloud-Anbieter in der Zukunft ist.

Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Schritt dar, um Quantensicherheit für jeden zugänglich zu machen. Indem die Autoren die Notwendigkeit eines Quantencomputers für den Benutzer entfernt haben, haben sie die größte Eintrittsbarriere für die zertifizierte Löschung beseitigt. Die von ihnen beschriebene Technologie ermöglicht eine Zukunft, in der Benutzer ihre Daten in die Cloud hochladen können und eine mathematische Garantie erhalten, dass diese gelöscht werden können – eine Garantie, die auch dann Bestand hat, wenn die Verschlüsselungsschlüssel später kompromittiert werden. Sie verwandelt das Konzept der Datenlöschung von einer bloßen Hoffnung in eine verifizierbare Tatsache, begründet in den Gesetzen der Physik und der Härte der Mathematik. Das Ergebnis ist ein System, in dem Vertrauen nicht mehr nur eine Frage der Richtlinie ist, sondern eine Frage des physikalischen Gesetzes.