Interview mit BI Forschungsgruppe Secure Digital Systems
In diesem Interview gibt die Forschungsgruppe Secure Digital Systems des Barkhausen Instituts Einblicke in ihre aktuelle Arbeit und ihre Forschungsschwerpunkte. Ergänzend dazu teilen einzelne Gruppenmitglieder ihre persönlichen Perspektiven und Erfahrungen.
“Mich hat schon immer die Idee fasziniert, dass man Geheimnisse aus physikalischem Verhalten lernen kann, dass ein Gerät winzige Signale abstrahlt, die bei geschickter Analyse den darin enthaltenen Schlüssel offenbaren. Als ich entdeckte, wie leistungsfähig Deep Learning in diesem Kontext sein kann, wusste ich sofort, dass ich tiefer einsteigen möchte. Dann wurde ich neugierig auf die entgegengesetzte Richtung: Kann KI uns auch helfen, stärkere Kryptographie zu entwickeln? Diese Frage motivierte mich, LLMs nicht nur als Angreifer, sondern auch als Designpartner zu erforschen, um ihre Stärken, Grenzen und potenziellen Risiken zu verstehen. Was mich inspiriert, ist die Mischung aus Mathematik, maschinellem Lernen, Kryptographie und realer Wirkung. Es ist ein sich ständig weiterentwickelndes Feld, und es gibt immer eine neue Herausforderung zu lösen.”
- Ali Alper Sakar (Associate Researcher)
Was ist das Forschungsthema eurer Gruppe?
Die Forschungsgruppe Secure Digital Systems arbeitet an der Schnittstelle von Hardwaresicherheit, Kryptographie und künstlicher Intelligenz (KI). Wir erforschen nicht nur konventionelle Sicherheitsentwürfe und -implementierungen, sondern auch den Einsatz von KI zur Stärkung von Sicherheitsmechanismen sowie die sicherheitstechnischen Herausforderungen, die KI-gesteuerten Systemen und KI-Hardware innewohnen. Wir untersuchen, wie moderne Systeme sowohl angegriffen als auch geschützt werden können, unter Verwendung fortschrittlicher physikalischer und algorithmischer Techniken.
Zusammen bilden diese Themen eine umfassende Untersuchung, wie zukünftige kryptographische Systeme sicher, effizient und robust sein können, selbst gegenüber sich weiterentwickelnden Bedrohungen wie Quantenangriffen, KI-gestützten Angreifern und großskaligen drahtlosen Verwundbarkeiten.
An welchen Projekten arbeitet ihr derzeit?
Wir arbeiten am Kooperationsprojekt der National Science Foundation und der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Post-Quanten-Hardware. Wir entwerfen einen einheitlichen Hardware-Beschleuniger, der sowohl das FrodoKEM als auch den Kyber Mechanismus unterstützt. FrodoKEM ist ein kryptographischer Mechanismus für den Schlüsselaustausch im Bereich der Post-Quanten-Kryptographie und wird vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik empfohlen. Der Kyber-Mechanismus wird zudem vom National Institute of Standards and Technology (NIST) ausgewählt. So wird global interoperable quantensichere Kommunikation ermöglicht.
Ein weiteres Forschungsthema ist die PUF-basierte Authentifizierung und drahtlose geheime Schlüsselgenerierung. Hier entwickeln wir starke, kostengünstige Verfahren zur Geräteidentifikation sowie sichere Schlüsselaufbau-Mechanismen, die für das Internet der Dinge, drahtlose Netzwerke und kritische Infrastrukturen geeignet sind.
Außerdem entwickeln wir transformerbasierte Angriffe, analysieren die Generalisierungsfähigkeit von Datensätzen und untersuchen die Grenzen moderner maschineller Lernverfahren bei der Ausnutzung von Sicherheitslücken.
Daneben befassen wir uns mit KI-gestütztem Blockchiffre-Design. Dabei untersuchen wir, ob Large Language Models (LLMs) die Entwicklung, Bewertung oder Analyse neuer symmetrischer kryptographischer Algorithmen sinnvoll unterstützen können.
"Als ich zum ersten Mal von PUFs hörte, war ich von der Idee dieser elektronischen ‘Fingerabdrücke’ fasziniert, und ich denke, dass PUFs großes Potenzial für kostengünstige Authentifizierungslösungen für Hardwaregeräte bieten. Es gibt auch viel Forschungspotenzial in der Kombination von Machine Learning mit PUFs, was auch ein Thema meiner Masterarbeit war."
- Joseph He Chang (Associate Researcher)
Wie hängt eure Forschung mit dem Alltag zusammen? Welche Probleme und Herausforderungen versucht ihr zu lösen?
Kryptographie und sichere Hardware sind tief im Alltag verankert: Smartphones, Online-Banking, Messaging-Apps, Cloud-Dienste, drahtlose Netzwerke und staatliche Kommunikation basieren alle auf sicheren kryptographischen Implementierungen.
Unsere Forschung befasst sich mit realen Herausforderungen der IT-Sicherheit. Ein Schwerpunkt ist die Gewährleistung von Sicherheit auch im Zeitalter von Quantencomputern. Ebenso entwickeln wir Schutzmaßnahmen gegen KI-gestützte Seitenkanalangriffe, die geheime Schlüssel aus physischen Geräten auslesen können. Darüber hinaus erforschen wir Methoden zur Absicherung drahtloser Netzwerke. Diese Netzwerke sind wichtig für Kommunikation, Transport, Gesundheitswesen und Satellitensysteme. Dadurch tragen wir dazu bei, kritische digitale Infrastrukturen besser zu schützen.
Wir stellen außerdem zuverlässige Authentifizierung für Milliarden von IoT-Geräten mittels leichter Hardwaremechanismen bereit. Zudem untersuchen wir, ob KI zukünftige kryptographische Designs stärken oder unbeabsichtigt schwächen kann.
Durch die Untersuchung dieser Probleme wollen wir sicherstellen, dass alltägliche digitale Interaktionen privat, vertrauenswürdig und widerstandsfähig in einer zunehmend komplexen technologischen Landschaft bleiben.
"Ich bin der Überzeugung, dass Privatsphäre in einer freien demokratischen Gesellschaft essenziell ist. Im Zeitalter weit verbreiteter Online-Kommunikation ist schnelle und sichere Kryptographie unerlässlich, um Privatsphäre zu gewährleisten. Diese wird jedoch durch Quantencomputer bedroht, die, sobald sie realisiert sind, es ihrem Besitzer ermöglichen würden, den gesamten Online-Verkehr zu entschlüsseln, zu lesen und zu verändern. Dies ändert sich mit der Einführung der Post-Quanten-Kryptographie. Dennoch ist weitere Arbeit erforderlich, um schnelle und sichere Kommunikation zu gewährleisten, etwas, das ich gerne mit verbessern möchte."
- Giuseppe Mansoni (Associate Researcher)