Weltweit erstes „Einmal“-Programm

„Unmögliches“ möglich gemacht: Forscher haben erstmals eine Software erstellt, die sich nach einmaliger Nutzung selbst zerstört. Bisher galten solche „One-Time“-Programme als unmöglich. Doch durch eine Kombination von konventioneller Computertechnik mit einer Quantencodierung haben die Wissenschaftler nun die weltweit ersten Einmal-Programme entwickelt und getestet. Sie eröffnen neue Möglichkeiten der sicheren Datenkommunikation – und das schon mit heutiger Technik.

Computerprogramme, die nur ein einziges Mal ausführbar sind, wären für viele Anwendungen praktisch. Solche „One-Time“-Programme könnten beispielsweise eine unerwünschte Weitergabe, aber auch die Manipulation oder den Missbrauch einer Software verhindern. Das Problem jedoch: in der klassischen Computertechnik ist eine echtes Einmalprogramm mit verlässlicher und nicht verhinderbarer Selbstzerstörung nur möglich, wenn man die Hardware gleich mit zerstört.

Eine mögliche Lösung könnte die Quantentechnologie liefern. Denn Eigenheiten wie die Verschränkung und Überlagerung sorgen dafür, dass Quantendaten gegen Mithören von außen, aber auch das Kopieren geschützt sind. „Das legt nahe, dass hier auch eine Lösung für das One-Time-Problem liegen könnte“, sagt Marie-Christine Röhsner von der Universität Wien. „Doch kürzlich wurde gezeigt, dass deterministische Einmal-Programme selbst im Quanten-Regime unmöglich sind.“

Klassische Programmierung mit Quantencodierung

Jetzt jedoch haben Röhsner und ihr Team das scheinbar Unmögliche doch möglich gemacht – durch eine geschickte Kombination konventioneller Computertechnik mit der Quantentechnologie. Ihre bisher weltweit einzigartige Einmal-Software besteht aus einem mit klassischem Computercode erstellten Programm, dass dann in Photonen umgeschrieben und damit quantenphysikalisch codiert wird.

„Eine der spannendsten Eigenschaften dieser neuen Hybrid-Software ist, dass wir sie zu großen Teilen mit bereits zugänglicher Technologie verwirklichen können“, sagt Röhsner. Während echte Quantencomputer erst in den Anfängen stecken und bisher nur sehr begrenzte Operationen durchführen können, gilt dies für die neuen „One-Time“-Programme nicht. Die für sie nötige Quantentechnologie steht schon heute in den Laboren zur Verfügung.

Millionärs-Problem gelöst

Wie gut die Einmal-Software praktisch funktioniert, haben die Forscher in einem Experiment bereits getestet. Dafür entwickelten sie ein Programm für das sogenannte Millionärs-Problem: Zwei Millionäre wollen wissen, welcher von ihnen reicher ist, aber ihr genaues Vermögen soll vor dem anderen verborgen blieben. Ein möglicher Ausweg aus diesem Dilemma ist die Verwendung eines „One-Time“-Programms.

Dieses erlaubt den beiden Millionären ihr jeweiliges Vermögen in das Programm einzugeben und mit diesem zu berechnen wer von ihnen reicher ist. Die Software gibt diese Information dann im Form eines einzigen Bits aus und zerstört sich dabei selbst. Durch diese Vorgehensweise sei gewährleistet, dass keiner der beiden auf die Originaldaten oder das Rechenverfahren Zugriff hat, so die Forscher. Dadurch erhalten die Millionäre eine Antwort, ohne ihre finanziellen Details preiszugeben.

Zahlreiche neue Anwendungen

Und es funktionierte: Die Quantencodierung verhinderte jeden weiteren Zugriff auf die Einmal-Software und auch ein Knacken des Codes war nicht machbar, wie die Wissenschaftler berichten. In einem weiteren Test entwickelten sie eine One-Time-Software, die das digitale Signieren erlaubt – aber nur genau ein Mal. Nach Ansicht von Röhsner und ihrem Team beweist der neue Hybrid-Ansatz, dass die Einbindung von Quantenphänomenen das Leistungsspektrum der konventionellen Computer erweitern kann.

Die Forscher haben schon erste Patente für ihre Hybrid-Computertechnik eingereicht. Sie wollen nun weitere Ansätze erforschen, um klassische Software sicherer zu machen, noch bevor ein vollständiger Quantencomputer Realität wird. (Nature Communications, 2018; doi: 10.1038/s41467-018-07591-2)

Quelle: Universität Wien