Quantentunnelung & Krypto: Josephson‑Effekte in der Post‑Quantum‑Ära

Die Schlagzeilen rund um den Nobelpreis 2025 brachten Quantentunnelung wieder ins öffentliche Gespräch. Was früher akademische Neugier war, ist heute ein Baustein moderner Qubit‑Techniken — und potenziell ein Baustein künftiger kryptographischer Werkzeuge. Dieser Artikel erklärt kompakt, warum Effekte in Josephson‑Schaltungen relevant sind, welche Chancen sie für Post‑Quantum‑Konzepte bieten und welche Hürden Forscher und Ingenieure erwarten. Kurz: Wir schauen physikalisch hin, prüfen Design‑Szenarien und ordnen die Bedeutung für europäische Kryptostrategien ein.

Quantentunnelung steht im Mittelpunkt der Experimente, die den Nobelpreis auslösten: In einer Josephson‑Junction verhält sich die Phasendifferenz der supraleitenden Kondensate wie ein „Teilchen“ in einem geneigten Potential („washboard potential“). Bei tiefen Temperaturen entweicht dieses effektive Teilchen nicht mehr thermisch, sondern per Tunneleffekt — eine rein quantenmechanische Beobachtung, messbar als plötzliche Spannungsumschläge. Diese Messungen lieferten auch Resonanzlinien, die diskrete Energieniveaus zeigten; beides zusammen war ein früher Schritt hin zu supraleitenden Qubits und cQED‑Systemen.

“Die Experimente zeigten, dass makroskopische Phasenvariablen quantenmechanisch tunneln und diskrete Zustände annehmen können.” — Nobel Scientific Background (Paraphrase)

Wichtig zu wissen: Die historischen Messreihen stammen aus den 1980er‑Jahren; viele technische Details wurden später verfeinert. (Datenstand älter als 24 Monate: Original‑Experimente 1984–1985.) Moderne Geräte nutzen Varianten wie Transmon‑ oder Flux‑Qubits, die das gleiche physikalische Prinzip in kontrollierbarer Form einbinden. Für Kryptographie interessieren uns zwei Aspekte besonders: 1) die kontrollierbare, aber nicht immer reproduzierbare Natur von Josephson‑Parametern (Kritische Stromstärke I_c, Kapazität C), und 2) das Auftreten von Rausch‑/Zufallsquellen durch Tunneleffekte, die als Entropiequelle dienen können.

Die Nobelunterlagen beschreiben die Versuchstechnik detailliert: starke Filterung der Messleitungen, Resonanzspektroskopie und statistische Auswertung tausender Escape‑Ereignisse. Für Kryptografen bedeutet das: Physikalische Effekte sind real, reproduzierbar unter Laborbedingungen, aber sensitiv gegenüber Störeinflüssen und Fertigungsvariationen.

Die Frage, ob Quantentunnelung Krypto‑Bausteine liefern kann, lässt sich in zwei Ebenen teilen: Physikalisch‑praktisch und kryptographisch‑theoretisch. Auf physikalischer Ebene existieren bereits Anwendungen: Josephson‑Schaltungen sind robuste Quellen von Elektronendynamik, die sich in TRNGs (True Random Number Generators) übersetzen lassen. Laborarbeiten zeigen, dass JJ‑basierte TRNGs NIST‑Tests bestehen können — allerdings oft nur in engen Bias‑ und Temperaturfenstern. Fertigungsstreuung (Variation von I_c und R_n) reduziert die Robustheit bei Serienproduktion.

Aus kryptographischer Sicht ist Vorsicht geboten: Forschung bis 2024/25 dokumentiert keine vollständig formal bewiesenen Protokolle, die allein auf Josephson‑Effekten basieren. Viele Vorschläge sind heuristisch: chaotische JJ‑Modelle, entropiegeprägte Schlüsselquellen oder device‑abhängige Schlüssel. Diese Ansätze können kurzfristig als Hardware‑Primitiven nützlich sein (z. B. TRNGs, PUF‑ähnliche Identitäten), aber sie fehlen oft belastbare Security‑Modelle gegen aktive Angreifer, Bias‑Manipulation oder Side‑Channel‑Exploits.

Wichtig für die Bewertung ist die Trennung von Entropiequelle und Protokoll: Eine zuverlässige Entropiequelle (wie ein gut qualifizierter TRNG) kann klassische Post‑Quantum‑Algorithmen stärken — z. B. durch hochwertige Schlüsselgenerierung für lattice‑basierte KEX‑Protokolle. Dagegen wäre ein kompletter Ersatz mathematischer Annahmen (z. B. feste, schwierige Rechenprobleme) durch physikalische Annahmen schwer: Physikalische Primitive sind oft hardware‑abhängig, weniger leicht formal zu definieren und anfälliger für praktische Angriffsvektoren.

Zusammengefasst: Quantentunnelung Krypto‑Wert entsteht vor allem als hochwertige Entropiequelle und als Baustein für device‑spezifische Sicherheitsfunktionen. Vollständige Protokolle, die allein auf diesen Effekten beruhen und formal bewiesen sind, bleiben bislang ausstehend — hier besteht Forschungsbedarf.

Welche Protokolle sind denkbar, wenn Quantentunnelung und Josephson‑Effekte als primitives Element dienen? Drei Muster zeichnen sich ab, ohne dass eines bereits formal etabliert wäre:

1. Entropie‑Primitiven / TRNGs: Für Schlüsselgenerierung und Nonces. Hier ist die Sicherheitsannahme: die Quelle liefert echte, unabhängige Zufallsbits, und ein Prüfmechanismus erkennt Bias und Ausfälle. Dieser Ansatz passt gut in Post‑Quantum‑Protokolle, weil die zugrundeliegende Kryptographie (z. B. lattice‑basierte KEX) unverändert bleibt; nur die Schlüsselqualität steigt.
2. Device‑Bound Credentials (PUF‑ähnlich): Physikalisch kontrollierte Eigenschaften eines JJ‑Arrays könnten zur Erzeugung von device‑spezifischen Schlüsseln dienen. Sicherheitsannahme: eine externe Partei kann diese Eigenschaften nicht exakt klonen oder messen, ohne das Gerät zu zerstören. Das Modell ist jedoch angreifbar durch invasive Laboranalyse oder durch kontrollierte Bias‑Manipulation.
3. Hybrid‑Protokolle: Kombination aus mathematischen Post‑Quantum‑Bausteinen und hardwarebasierten Primitiven: z. B. Zufallszufuhr aus JJ‑TRNG plus lattice‑basiertes KEX und Signaturen. Sicherheitsannahme: Falls die physikalische Quelle kompromittiert wird, bieten die mathematischen Bausteine Basissicherheit.

Für alle drei Muster gelten gleiche Prüfpflichten: standardisierte Tests (NIST/FIPS/AIS31) für Zufall, robuste Health‑Checks, Side‑Channel‑Analysen und ein definiertes Angreifermodell (passiv vs. aktiv). Ohne solche Prüfungen bleibt Josephson‑Kryptographie ein Forschungsfeld, nicht ein Produktionsstandard. Außerdem: Prozesse zur Fertigungsstabilität und Temperatur‑/Bias‑Toleranzen müssen dokumentiert werden, damit Protokolle über Produktlebenszyklen robuste Sicherheit liefern.

Kurz: Bauklötze sind vorhanden, aber das Konstrukt fehlt noch. Realistische Protokolle werden hybride Ansätze sein, die physikalische Stärken mit formal geprüften Post‑Quantum‑Algorithmen verbinden.

Wenn die EU in die Post‑Quantum‑Vorbereitung investiert, sollte Josephson‑basierte Forschung einen klaren Platz bekommen — nicht als sofortiger Ersatz konventioneller PQ‑Algorithmen, sondern als ergänzende Hardware‑Ressource. Konkrete Forschungsfelder:

• Standardisierte Qualifizierung von JJ‑TRNGs: Tests unter variabler Temperatur, Bias, Alterung und Fertigungstoleranzen (NIST/FIPS/AIS31 kompatibel).
• Formale Security‑Modelle, die Physik und Kryptographie verbinden: Definition konkreter Angreiferfähigkeiten (z. B. Bias‑Manipulation, invasive Messungen) und mathematische Reduktion, wo möglich.
• Fertigungslinien und Prozesskontrolle: Maßnahmen zur Reduktion von I_c/R_n‑Streuung, Trim‑Verfahren und Monitoring für Langzeitstabilität.
• EU‑Pilotprojekte: Hybridplattformen, die Josephson‑TRNGs mit lattice‑basierter Krypto kombinieren, um praktische Migrationspfade zu testen.

Politisch und organisatorisch bietet die EU bereits Rahmen, die anknüpfbar sind: EuroQCI fördert Quantensensorik und -kommunikation; Horizon‑Programme finanzieren interdisziplinäre Projekte. Die Empfehlung: Mittel gezielt auf Proof‑of‑Concepts und standardisierte Prüfverfahren lenken – nicht auf „Alles‑oder‑Nichts“‑Einsätze. So entsteht in 2–5 Jahren eine belastbare Basis für Produktionsintegration.

Risikohinweis: Viele Befunde zur Josephson‑Kryptographie stammen aus Laborstudien (2020–2025) und demonstrieren Potenzial, aber nicht Produktionsreife. Parallel sollten Europa‑weite Testbeds und offene Benchmarks gefördert werden, damit unabhängige Gruppen Replikationen und Red‑Team‑Analysen durchführen können.

Quantentunnelung in Josephson‑Schaltungen ist mehr als ein historischer Meilenstein: Sie liefert konkrete physikalische Effekte, die als hochwertige Entropiequellen und device‑gebundene Bausteine in Post‑Quantum‑Szenarien genutzt werden können. Vollständig formale, allein auf diesen Effekten beruhende Kryptosysteme existieren aber noch nicht. Am sinnvollsten sind hybride Ansätze, begleitet von standardisierten Tests, Fertigungs‑kontrolle und interdisziplinärer Forschung.