Quantum‑Safe & Quantentunnelung: Neue Wege für Kryptographie

Im Herbst 2025 rückte Quantentunneln wieder ins Rampenlicht: der Nobelpreis würdigte Experimente, die quantenmechanisches Tunneln in makroskopischen Schaltkreisen nachwiesen. Für Kryptographen ist das kein reiner Physik‑Streitpunkt — es eröffnet praktische Fragen. Kann ein quantenmechanischer Effekt wie Tunnelung die Sicherheit von Schlüsseln, Zufallsquellen oder Geräteidentitäten stärken? Und wie passt das zu dem seit 2024 laufenden Umstieg auf Post‑Quantum‑Algorithmen?

Quantentunnelung ist ein Grundprinzip der Quantenmechanik: Teilchen haben eine endliche Wahrscheinlichkeit, eine Barriere zu passieren, die sie klassisch nicht überwinden könnten. Auf atomarer Ebene kennen das viele — in den 1980er‑Jahren aber gelang der Nachweis solcher Effekte in supraleitenden Schaltkreisen, also in Systemen, die viele Elektronen kollektiv zeigen. Diese Experimente, die 2025 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurden, zeigten: Auch makroskopische Zustände können quantenmechanisch tunneln und diskrete Energieniveaus besitzen (Quelle: Nobel Prize in Physics 2025).

“Die Beobachtung makroskopischer Quanteneffekte verbesserte unser Verständnis von Supraleitung und legte praktische Grundlagen für Quantenhardware.” — wissenschaftlicher Kontext, Nobelkommission (2025)

Außerhalb supraleitender Qubits haben Forscher Quantentunnelung in Halbleiterbauelementen wie Resonant‑Tunneling‑Dioden (RTD) genutzt. Dort erzeugt der Tunneleffekt zufallsähnliche Signale, die sich nach Signalverarbeitung und Distillation als echte Zufallsquelle (TRNG/QRNG) eignen. Wichtiger Hinweis: einige dieser Arbeiten (z. B. RTD‑QRNGs) stammen aus 2017; sie lieferten Proof‑of‑concepts, sind aber in Teilen technologisch älter — Datenstand älter als 24 Monate (Quelle: Scientific Reports 2017).

Technisch unterscheiden wir zwei Nutzungsarten: 1) Tunneleffekte in kontrollierten, gekühlten Schaltkreisen (supraleitend) als Grundlage für Quantenhardware‑Phänomene; 2) Tunneleffekte in Halbleiterbauelementen als physische Entropiequelle. Beide Wege haben andere Anforderungen an Temperatur, Isolation und Messtechnik.

Die Lehre daraus: Tunnelung ist kein Allheilmittel, aber ein klarer physikalischer Baustein — sowohl für Messmethoden in der Quantenphysik als auch für hardwarenahe Sicherheitsfunktionen, wenn die experimentelle Kontrolle stimmt.

Die Schlagzeilen um den Nobelpreis legen eine wichtige Unterscheidung nahe: Quantenresistenz bezieht sich auf mathematische Verfahren, die Angriffe durch große Quantencomputer überstehen sollen. Diese Post‑Quantum‑Algorithmen wurden seit 2024 von Standardisierern wie NIST vorangetrieben. Quantentunnelung dagegen ist ein physikalischer Effekt, der vor allem als Entropiequelle oder hardwarebezogene Funktion interessant ist — nicht als Ersatz für mathematische Post‑Quantum‑Primitive.

Praktisch bedeutet das: Quantum‑Safe Kryptographie ist heute primär ein Algorithmusproblem (Lattice‑, Hash‑basierte Verfahren etc.). Tunnelungsbasierte Hardware kann diese Ansätze jedoch ergänzen, etwa indem sie hochwertige Zufallszahlen zur Schlüsselerzeugung liefert oder gerätespezifische Fingerprints bereitstellt. Solche hybriden Designs kombinieren die Robustheit von Post‑Quantum‑Algorithmen mit physikalisch erzeugter Entropie.

Warum das relevant ist: Viele kryptographische Systeme scheitern an schlechten Zufallszahlen. Eine zuverlässige TRNG‑Quelle erhöht die Startqualität von Schlüsseln und reduziert Angriffsflächen. RTD‑basierten QRNGs wurde im Proof‑of‑concept gezeigt, dass sie brauchbare Rohdaten liefern können, allerdings sind diese Arbeiten teilweise älter (Datenstand älter als 24 Monate) und erfordern robuste Distillation und Side‑Channel‑Tests, bevor sie in kritische Systeme eingespeist werden dürfen (Quelle: Scientific Reports 2017).

Ein weiterer Punkt ist Governance: Standardisierungsgremien (NIST, BSI, ENISA) haben bisher die algorithmische Seite priorisiert. Sollte tunneling‑basierte Hardware vermehrt in Anwendungen auftauchen, brauchen wir definierte Testkriterien (z. B. NIST‑SP800‑90‑Reihen) und Zertifikatsprofile, die Entropiequalität, Stabilität und Angriffsresistenz bewerten.

Kurz gesagt: Tunnelung kann Quantum‑Safe‑Strategien stärker machen, wenn sie kontrolliert und getestet eingebunden wird — doch sie ersetzt keine mathematischen Post‑Quantum‑Standards.

Welche konkreten Nutzungen von Quantentunnelung in kryptographischen Protokollen sind denkbar? Kurz und konkret: nicht als mathematisches Schlüsselaustausch‑Primitive, aber als hardwaregestützte Ergänzung. Drei Forschungslinien sind besonders aussichtsreich:

1. Entropie‑Assistent für Schlüsselerzeugung: Tunneling‑basierte TRNGs könnten Seed‑Material für Post‑Quantum‑KEMs liefern. Entscheidend ist dabei die Quantifizierung der Entropie (SP800‑90B/90C) und die Integration von Distillationsschichten, um Messrauschen zu eliminieren.
2. Gerätebindende Schlüssel & PUF‑Konzepte: Feine Unterschiede in Tunnelverhalten können als physische Identität dienen. Das erlaubt Geräteauthentifizierung ohne zentrale Schlüsselverwaltung, vorausgesetzt, die Eigenschaften sind stabil und nicht leicht reproduzierbar.
3. Verteilte Zufalls‑Beacons & Entropy‑Beweisketten: Netzwerk‑Services könnten getrimmte Tunnel‑Zufallsdaten als öffentliche, überprüfbare Entropie‑Quelle bereitstellen. Damit lassen sich Protokolle realisieren, die Manipulation erkennen — allerdings benötigt das rechtliche und technische Infrastruktur.

Auf der methodischen Ebene braucht es zwei Dinge parallel: formale Sicherheitsmodelle und harte Experimente. Formale Modelle sollten Side‑Channel‑Szenarien, Korruption von Hardware und Messrauschen beschreiben. Experimente müssen wiederholbar sein, und zwar nicht nur im Labor: Tests unter realen Temperaturen, Alterung, EM‑Störungen und Fertigungstoleranzen sind nötig.

Weiterer Pragmatismus: Kombination ist klug. Ein hybrider Ansatz, bei dem ein zertifiziertes Post‑Quantum‑Kryptosystem die Algorithmik liefert und tunnelingbasierte Hardware die Qualität der Zufallszahlen oder die Gerätebindung verbessert, ist heute die wahrscheinlichste, praktikable Route.

Zum Stand der Forschung: Es gibt Preprints und Proof‑of‑concepts (z. B. TRNG‑Demonstrationen auf Gate‑QCs, arXiv 2023), aber kaum etablierte Protokollstandards, die explizit Tunneling als primitives Element benennen. Damit bleiben Grundlagenarbeit und Standardisierungsdialoge offen.

Die Idee, Quantentunnelung für sicherheitsorientierte Kryptographie zu nutzen, trifft auf mehrere praktische Hürden. Zentrale Themen sind Reproduzierbarkeit, Umweltempfindlichkeit, Side‑Channel‑Resistenz und Standardisierungsfragen. Jede dieser Ecken muss adressiert werden, bevor eine breite Adoption sinnvoll ist.

Reproduzierbarkeit: Proofs‑of‑concept (z. B. RTD‑QRNGs) zeigten brauchbare Zufallsdaten im Labor. In Feldbedingungen aber verändern Temperaturdrift, Materialalterung und Fertigungsschwankungen das Verhalten. Forschungsziel: robuste Prüfprotokolle, die Entropie über Lebenszyklen dokumentieren.

Side‑Channel & Manipulationsrisiken: Hardware‑Entropie ist attraktiv für Angreifer. Messsignalschwankungen oder gezielte Störungen könnten Zufallsquellen beeinflussen. Deshalb sind Analysen genauso wichtig wie die Hardwareentwicklung: Wie reagiert ein Gerät auf EM‑Stresstests? Welche Fehlerkorrekturen verhindern gezielte Bias‑Induktion?

Standardisierung: Bislang konzentrieren sich Gremien auf algorithmische Post‑Quantum‑Standards (NIST, 2024). Damit tunnelingbasierte Komponenten eine Rolle spielen, braucht es Testkriterien, Zulassungsverfahren und klare Integrationspfade. Vorschlag: Arbeitsgruppen zwischen NIST/BSI und Forschungslabors, die Test‑Spezifikationen für hardwarebasierte Entropie entwickeln.

Technologie‑ und Industriefragen: Fertigungsqualität, Kosten und Messinfrastruktur entscheiden über die Skalierbarkeit. Es hilft, frühe Anwendungen zu identifizieren, bei denen hochwertige Zufallszahlen und Gerätebindung echten Mehrwert bieten — z. B. Sicherheitsmodule in kritischen IoT‑Systemen oder Schlüsselerzeugung in HSMs.

Kurzfristige Forschungsagenda (konkret): Multisite‑Replikationen von RTD/QRNG‑Experimente, formale Sicherheitsproofs für device‑bound keys, Entwicklung von Prüf‑Suiten (inkl. SP800‑90‑Kompatibilität) und Pilotprojekte, die PQC‑Implementationen mit tunneling‑Entropie koppeln.

Quantentunnelung ist nach dem Nobelpreis 2025 wissenschaftlich wieder sehr präsent. Für Kryptographie bietet der Effekt vor allem praktische Vorteile als hochwertige Entropiequelle und als Basis für gerätegebundene Sicherheitsfunktionen. Er ersetzt jedoch nicht die mathematischen Post‑Quantum‑Standards, die seit 2024 den Weg zur Quantenresistenz vorgeben.

Wichtig ist ein hybrider, überprüfbarer Weg: standardisierte Tests, formale Sicherheitsmodelle und praktische Pilotprojekte, die Tunneleffekte verantwortbar in bestehende PQC‑Implementationen integrieren.

Wenn Forschung und Standardisierung zusammenkommen, kann Tunnelung eine nützliche Komponente in Quantum‑Safe‑Architekturen werden — vorausgesetzt, sie wird sorgfältig gemessen und geprüft.