Quantum Security Technologies

Die Gruppe »Quantum Security Technologies« (QST) forscht an der Schnittstelle zwischen Quantencomputing, Künstlicher Intelligenz (KI), Optimierung und IT-Sicherheit. Im Rahmen der Quantenmission des Fraunhofer AISEC »Sicherheit trotz, für und mit Quantencomputing« liegt der Schwerpunkt der Forschungsgruppe QST auf den beiden letzteren Themenbereichen: Sicherheit für und mit Quantencomputern. Der erste Aspekt – Sicherheit trotz Quantencomputing – wird im Kompetenzzentrum Post-Quanten-Kryptografie des Fraunhofer AISEC bearbeitet.

Quantengestützte Methoden zur Stärkung der IT-Sicherheit

Das Fraunhofer AISEC untersucht, wie Quantencomputing klassische Cybersicherheitsmaßnahmen verbessern kann. Dazu gehören die Entwicklung quantengestützter KI-Algorithmen zur Erkennung von Anomalien, zur Identifizierung von Bedrohungen und zur Überprüfung von Systemen. Durch Quantum Machine Learning (QML, eine Kombination aus Quantencomputing und maschinellem Lernen) und Quantenoptimierung wird die Rechenkomplexität reduziert und die Erkennungsgenauigkeit verbessert – selbst in komplexen Szenarien wie mit hochdimensionalen Daten, bei denen eine große Anzahl von Variablen gleichzeitig analysiert werden muss, oder mit limitierten Datensätzen, bei denen nur eine kleine Datenmenge vorab kategorisiert wurde. Für die nötige Praxisnähe werden unsere Methoden sowohl mit klassischen Simulationen als auch auf tatsächlicher Quantenhardware validiert.

Sicherheit für Quantencomputer und Quanten-KI

Mit der immer stärkeren Verbreitung von Quantensystemen und quantengestützter KI steigt auch deren Bedarf an Sicherheit. Am Fraunhofer AISEC werden für Quanten-KI spezifische Schwachstellen wie ihre Anfälligkeit für quantenspezifische Angriffe, der Abfluss von Informationen über Quanten-Seitenkanäle und die Robustheit parametrisierter Quantenschaltungen untersucht. Die Forschenden entwickeln Schutzmechanismen für QML-Modelle gegen Verzerrungen und bewerten die Resilienz quantenkryptografischer Protokolle und Hardwarearchitekturen. Damit werden die Voraussetzungen für den sicheren Einsatz quantengestützter KI in der Praxis geschaffen.

Das Fraunhofer AISEC ist deutschlandweit führend im Bereich der Härtung und Robustheitsanalyse von KI-Methoden, einschließlich der Kombination von KI mit Quantencomputern. Durch hochkarätige Veröffentlichungen auf internationalen Konferenzen und die enge Zusammenarbeit mit unseren Industriepartnern liefert die Forschungsgruppe »Quantum Security Technologies« innovative Erkenntnisse an der Schnittstelle von Quantencomputing und IT-Sicherheit.

Wir bieten sowohl die theoretische Grundlage als auch die praktische Umsetzung quanten-gestützter und sicherer Verfahren für zukunftsfähige Quantencomputing-Infrastrukturen. Die Gruppe »Quantum Security Technologies« verfügt über fundierte Expertise in den folgenden Bereichen:

• Anomalie- und Betrugserkennung mithilfe von Quantum Machine Learning
• Adversarial and Robust Quantum Machine Learning
• Angriffsvektoren und Schutzmaßnahmen im Quantencomputing
• QC-gestützte Optimierung für Verifizierungsprobleme

Design und Implementierung von QC-gestützten Sicherheitslösungen

• Design und Implementierung von Proof-of-Concepts für klassische Sicherheits-Use-Cases wie Anomalie- oder Betrugserkennung mit QML
• Ansätze für Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) Hardware oder Fault-tolerant Quantum Computing (FTQC)
• Dequantisierung und quanteninspirierte Algorithmen
• Implementierung, Evaluierung und Benchmarking von QML in Simulationen und auf Quantenhardware
• Analyse potenzieller Quantenvorteile und Hardwareanforderungen

Bewertung von QC-gestützten Lösungen

• Benchmarking von Quantenmodellen anhand klassischer Referenzmodelle mit Schwerpunkt auf Performance, Robustheit, Unsicherheitsquantifizierung und Interpretierbarkeit
• Schwachstellenanalyse von Quantenmodellen in sich wandelnden Bedingungen oder unter gezielten Angriffen
• Entwicklung von Schutztechniken für Quantenmodelle entlang des gesamten QC-Technologie-Stacks

Beratung und Schulung

• Beratung zu QC-Anwendungsfällen in der IT-Sicherheit und darüber hinaus
• Seminare und Schulungen zu Quantencomputing für die IT-Sicherheit

Die Gruppe QST des Fraunhofer AISEC entwickelt QML-basierte Ansätze zur Erkennung anomaler Aktivitäten im Bereich Cybersicherheit, beispielsweise bei der Überwachung von Netzwerkverkehr und Clouds sowie bei der Analyse von Systemprotokollen. Dank Quantum-Kernel-Methoden und variationellen Schaltkreisen können unsere Modelle aus wenigen Beispielen Verallgemeinerungen abstrahieren und komplexe, hochdimensionale Datenmuster verarbeiten.

-> Zum Blog-Beitrag: Anomalieerkennung mit Quantum Machine Learning zur Identifizierung von Cybersicherheitsproblemen in Datensätzen

Die Gruppe QST des Fraunhofer AISEC analysiert Schwachstellen von QML-Modellen in Angriffsszenarien, indem sie auf Quanten-Schaltkreise zugeschnittene Angriffe entwickelt und robuste Trainingsstrategien zu deren Abwehr entwirft. Unsere Forschung umfasst Untersuchungen zur Parametersensitivität, zu Trade-offs zwischen Schaltkreistiefe und Robustheit sowie die Entwicklung beweisbarer Garantien sowohl unter Rauschen als auch unter gezielt manipulierten Störungen.

-> Zum Blog-Beitrag: Quantenbasierte und klassische KI-Sicherheit: Wie man robuste Modelle gegen Adversarial Attacks entwickelt

Die Forschenden untersuchen, wie Quantenalgorithmen wie QAOA und VQE zur Verifikation von Software- und Systemeigenschaften eingesetzt werden können – etwa zur Fehlererkennung, Constraints-Analyse oder im Rahmen der symbolischen Programmausführung. Ziel dieser Methoden ist es, klassische Verifizierungsprozesse effizienter und zu gestalten und gleichzeitg umfangreicher zu machen.