量子セキュア通信とは何ですか? （中国語）：量子槍と量子盾のゲーム

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

情報化時代の継続的な発展に伴い、インターネットは私たちの生活の中で最も重要な情報伝達チャネルの 1 つになりました。しかし、この広大なオンラインの世界で、機密文書、暗号化されたデータ、個人のプライバシーなどの重要な情報をどのように保護するかが、非常に重要な問題となっています。この問題を解決する鍵は、秘密通信の普及と応用にあります。

実際、機密通信はもはや特定の分野における高度な技術ではありません。それは私たちの生産と生活のあらゆる側面に浸透しています。銀行システムでは、各口座の財務情報をどのようにして安全に送信できるのでしょうか?企業内で暗号化されたデータをどのように保護しますか?これらはすべて機密通信の応用例であり、この技術の大きな役割を反映しています。

アカウントとパスワードで個人情報を保護する

（写真提供：Veer Gallery）

前回の記事では、古典的な暗号がどのようにコードを確立したかを紹介しました。この記事では、現代の機密通信がどのようにして情報のセキュリティを確保するのかを引き続き紹介します。

非対称暗号化 - 盗聴できるとは思えない

「非対称暗号化」について説明する前に、まずはより単純な「対称暗号化」について理解しておきましょう。

「対称暗号化」方式の概略図

(画像出典: Wikipedia)

Xiao Li が Xiao Wang に暗号化されたメッセージを送信したいが、犯罪者に盗聴されたくないとします。そして、シャオ・ワンとシャオ・リーは事前に金庫を用意し、それぞれが金庫を開けるための鍵を2つ持っています。こうすることで、シャオ・リーは鍵を使って暗号化する必要のある情報を毎回金庫に入れることができ、シャオ・ワンは同じ鍵を使って金庫を開けるだけで、二人の間の秘密の通信が完了する。

ここで、本来暗号化する必要がある情報は「平文」、暗号化された情報は「暗号文」、暗号化に使われる鍵は「鍵」と呼ばれます。このとき、Xiao LiとXiao Wangは暗号化と復号化のプロセスで同じ鍵を使用しました。つまり、両者は同じ秘密鍵を使用したため、この暗号化方式は「対称暗号化」とも呼ばれます。

実は、古代ギリシャで暗号化に使われていた木の棒や、前回の記事で紹介した文字の順序を調整したシーザー暗号も、すべて対称暗号方式なのです。確かに、この暗号化と復号化のプロセスでは同じキーが使用されるため、非常に便利ですが、漏洩のリスクも高くなります。なぜなら、犯罪者が暗号鍵を知ってしまえば、Xiao Wang と Xiao Li の間の暗号化されたメッセージをひそかに盗聴できるからです。

上記の暗号化の抜け穴を補うために、人々は「非対称暗号化」方式を発明しました。つまり、Xiao Li が金庫をロックするために使用する鍵と Xiao Wang が金庫を開けるために使用する鍵は、もはや同じ鍵ではありません。

「非対称暗号化」方式の概略図

（画像出典：著者描き下ろし）

たとえば、Xiao Li が Xiao Wang に暗号化されたメッセージを送信する場合、Xiao Wang はロック キーとロック解除キーの 2 つの異なるキーを準備します。この場合、まず Xiao Wang がロックキーと金庫を Xiao Li に送り、次に Xiao Li がロックキーを使用して金庫に情報を保存し、最後に Xiao Wang が残したロック解除キーを使用して金庫を開けます。

このプロセスでは、解錠キーを持っているのはシャオ・ワン本人だけなので、犯罪者が金庫とロックキーを入手したとしても、暗号化された情報を読み取ることはできません。この機密通信プロセスでは、ドアをロックするために使用される鍵は「公開鍵」と呼ばれ、ドアのロックを解除するために使用される鍵は「秘密鍵」と呼ばれます。この非対称暗号化方式は、現在主流の機密通信方式の一つでもあります。

「量子の槍」 - 量子コンピュータの「破壊的な」解読

前述の「非対称暗号化」方式は非常に巧妙に設計されていると言えます。通信当事者は、犯罪者が暗号化された情報を解読することを心配することなく、暗号文と公開鍵を安全かつ大胆に公開できます。

公開鍵暗号に基づく概念図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

Xiao Wang が用意した 2 つの鍵、つまり公開鍵と秘密鍵は、常に複雑な数学演算によって生成されます。学生のシャオ・ワンとシャオ・リーは、犯罪者が限られた時間内に公開鍵と秘密鍵の本質的な関係を計算できないようにするために、数学的な演算規則を常に定期的に更新しています。そのため、シャオ・ワンとシャオ・リーは、たとえ犯罪者が公開鍵を入手したとしても、彼らの間の機密通信については何もできないと確信しています。

ただし、この暗号化は解読不可能ではありません。

盗聴者が超計算能力を持っていれば、公開鍵と秘密鍵の本質的な関係を非常に短時間で計算することが可能であり、それによって、Xiao WangとXiao Liの間の主流の暗号化通信方式を完全に覆すことができる。

量子コンピュータの出現により、犯罪者に超強力な計算能力が与えられ、私たちの情報を守る「暗号化シールド」が破られると予想されています。量子コンピュータが潜在的に超計算能力を持つ根本的な理由は、従来の古典的コンピュータが使用する演算とは根本的に異なる、量子力学の基本原理に基づいた演算を実行することです。

量子コンピューティングの概念図

（写真提供：Veer Gallery）

従来のコンピューターは、コインの両面、つまり 0 状態または 1 状態のいずれかにある従来のビットを使用します。量子コンピュータは量子ビット（キュービット）を使用します。量子ビットは、0 状態または 1 状態になるだけでなく、コインの両面を同時に持つのと同じように、魔法のように 0 と 1 の重ね合わせ状態になることもできます。この機能により、量子コンピュータは場合によっては複数の可能性を驚異的な速度で並行して処理できるため、それらを 1 つずつキューに入れる必要がなくなり、計算プロセスが大幅に高速化されます。

そのため、将来実用的な量子コンピュータが登場すると、犯罪者シャオ・ワンはシャオ・ワンとシャオ・リーが前述の「非対称暗号化」方式の絶対的な安全性を保証することを不可能にするだろう。したがって、「量子の槍」の計算能力攻撃に抵抗するためには、考え方を変えて、通信のセキュリティを確保するためのより効果的な暗号化方法を探し始める必要があります。

「量子シールド」：まだ盗聴できるとは思えない！

実際、暗号化方法がどれほど複雑で多様であっても、絶対的なセキュリティを確保するためには、埋める必要のある抜け穴が常に 2 つ存在します。

ネットワーク セキュリティ ファイアウォール

（写真提供：Veer Gallery）

まず、盗聴者が超計算能力を持つと、非常に短時間で通信相手の鍵を解読できるようになります。第二に、Xiao Wang も Xiao Li も、盗聴者が暗号化された情報を盗んだかどうかを知ることはできません。相対的に言えば、上記の 2 番目の欠陥はより致命的であることが多いです。なぜなら、盗聴者は暗号化された情報を解読していないふりをして、2 者間の通信を長い間ひそかに盗み取るからです。

幸いなことに、量子力学は鍵を解読できる「量子の槍」に偏っていません。科学者たちは、暗号化された情報の絶対的な安全性を保護するために、量子力学の基本原理に基づいた、より強力な「量子シールド」も設計した。

最初の抜け穴は比較的簡単に修正できます。 Xiao Wang と Xiao Li が通信するたびにキーをランダムに変更すると、盗聴者が超計算能力を持っていたとしても、解読できるのは 1 つの機密情報だけです。情報を送信するたびに双方が暗号化キーを変更する必要があるこの通信方法は、「ワンタイムパッド」と呼ばれます。

2 番目の抜け穴を補うには、量子力学の特殊な特性、つまり量子もつれを使用する必要があります。

量子もつれをより鮮明に理解するために、興味深い例を挙げてみましょう。

双子の姉妹がそれぞれ北京と上海で勉強しているとします。北京のクラスメイトが双子の一人に「あなたは姉ですか、それとも妹ですか？」と尋ねた。すると、クラスメイトは彼女の答えに基づいて、上海にいるもう一人の双子の状況を即座に推測することができます。なぜなら、双子の二人は姉妹関係について問われる前は、外の世界から見れば常に「姉妹か妹か」という「もつれた状態」にあるのだが、答えた瞬間にそれぞれの立場が決まるからである。

同様に、同一の量子ビットのペアを用意できれば、測定される前に 0 と 1 のエンタングルメント状態になります。どれだけ離れていても、一方の量子ビットの状態が変化すると、関連するもう一方の量子ビットもそれに応じて瞬時に変化します。この現象は「量子もつれ」と呼ばれます。

したがって、Xiao Wang と Xiao Li は、情報を暗号化するための鍵として一連の量子ビットを送受信することで、互いに機密通信を完了することができます。さらに、盗聴者が鍵を盗み始めると、干渉により、Xiao Wang と Xiao Li の間の量子もつれ状態が変化します。

量子鍵配送方式の概略図

（画像出典：著者描き下ろし）

つまり、Xiao Wang と Xiao Li が量子もつれ状態が乱されていないことに気づけば、通信が盗まれていないことがわかり、安全だということになります。したがって、Xiao Wang と Xiao Li は、これらの量子もつれ状態を使用して、通信を暗号化および復号化するための共有暗号化キーを生成することができます。

量子力学の基本原理を秘密通信に利用するこの方法は、量子鍵配布(QKD) とも呼ばれます。

結論

量子鍵配送方式は、「一度きりの鍵」という特徴だけでなく、「量子もつれ状態」という素晴らしい性質を生かして、機密通信が盗聴されていないかを監視することができるといえます。

1984 年に量子鍵配布方式が提案されると、科学者の間で広く注目を集めました。量子鍵配布ソリューションは、通信のセキュリティを確保する新しい方法を提供し、通信の絶対的なセキュリティを保護する「量子シールド」として機能します。

量子キー概念図

（写真提供：Veer Gallery）

約40年の開発を経て、量子セキュア通信技術は成熟を続け、徐々に私たちの実生活に入り込んでいます。これを読んでもまだ満足できないのではないでしょうか？それでは、量子セキュア通信における「空へ行く」と「地上へ行く」素晴らしい物語をお伝えしましょう！

参考文献:

[1] ハイジェマ、M. .主要な量子鍵配布プロトコルの調査。 cse.wustl.edu をご覧ください。

[2]Buttler WT、Hughes RJ、Kwiat PG、et al.自由空間量子鍵配布[J]。フィジカルレビューA、1998年、57(4):2379。