量子暗号とは何ですか?

オンラインで何かを購入するたびに、あなたは数学を信頼します。一方向には簡単にできるが、逆方向には難しい単純な数学です。それがあなたのクレジットカード情報を窃盗犯から守るものです。しかし、システムはハッキングされる可能性があります。

たとえば、ある人気の暗号化方式は、暗号化された情報を解除する「鍵」となる巨大な乱数を 2 つの素数に因数分解することによってのみ解読できます。これは現在では極めて困難な作業ですが、不可能ではありません。十分な計算能力があれば、スパイ政府が鍵を解読することは可能です。あるいは、賢い数学者が大きな数を因数分解する簡単な方法を見つけ、理論上は明日にでも実行できるかもしれません。

暗号解読者からより強力なセキュリティを求めて、新世代の暗号作成者は数学から物理学へと目を向けている。原子やその他の粒子の専門家であるこれらの暗号学者は、量子力学の法則を利用して、ハッキング不可能であることが証明できるメッセージを送信したいと考えている。彼らは、ここ数十年で成熟した量子暗号と呼ばれる新しい分野の設計者である。

量子暗号は、小さなスケールでの現実の奇妙さからその強さを引き出します。私たちの宇宙を構成する粒子は、本質的に不確実な存在であり、複数の場所や複数の状態を同時に存在することができます。粒子は、何か他のものにぶつかったとき、または私たちがその特性を測定した場合にのみ、どのように動作するかを選択します。

量子暗号は、小さなスケールでの現実の奇妙さからその強さを引き出します。

この奇妙な動作を利用する最も一般的な暗号化アプリケーションは、量子鍵配布 (QKD) です。量子鍵は、メッセージを解読するために必要な情報を、粒子 (通常は光粒子) のあいまいな特性にエンコードして送信します。盗聴者が鍵を盗もうとするには、それらの粒子を測定する必要があります。これらの測定によって粒子の動作が変わり、検出可能なエラーが発生し、鍵が侵害されたため情報のエンコードに使用すべきではないことをユーザーに警告します。

QKD にはさまざまなバリエーションがあり、その一部は、情報保護のためにエンタングルメントと呼ばれる珍しい長距離量子接続を採用しています。エンタングルメントにより、2 つの粒子は、どれだけ離れていても 1 つの実体のように動作できます。1 つの粒子に干渉すると、その相手が宇宙の反対側にいても即座に反応し、ハッカーの存在を明らかにします。

QKD システムは現実のものとなりつつある。最初の量子取引は 2004 年にウィーンの研究者が量子もつれ光子を使って 3,000 ユーロの預金を銀行口座に振り込んだときに行われた。商用 QKD システムは 2013 年に米国に導入され、非営利研究開発機関 Battelle が暗号化された光子で保護された光ファイバー ネットワークを設置した。ID Quantique が開発したこのシステムは、すでに 2007 年にジュネーブで行われた選挙の結果を保護するためにその技術を使用していた。

「これが標準的な商用提案になるまでにはまだ道のりは長いが、予想よりも早くそこに到達しつつある」と、オックスフォード大学教授でシンガポール国立大学量子技術センター所長の量子暗号研究者アルトゥール・エケルト氏は言う。

一つの粒子に干渉すると、その相手が宇宙の反対側であっても即座に反応し、ハッカーの存在が明らかになる。

エンタングルメントは、他の QKD 方式に比べてセキュリティをさらに強化できます。他の QKD 方式では、使用するデバイスが信頼されている必要がありますが、エンタングルメントは、信頼されていない機器でも安全性が維持される、デバイスに依存しない暗号化への扉を開きます。

プライバシーを保証するエンタングルメントベースのシステムの量子性は、ベル不等式と呼ばれる、粒子の振る舞いがどの程度類似しているかを記述する一連の統計を使用して検証できます。

QKD は量子暗号とほぼ同義語となっているが、これはこの分野でさまざまな開発段階にある数多くのアイデアの 1 つにすぎない。1960 年代、コロンビア大学の教授が、偽造不可能な量子マネーというアイデアを考案した。各紙幣には、銀行がその特性を検証できる粒子が閉じ込められている。また、量子乱数ジェネレーターは、完全にランダムになることは決してないコンピューター アルゴリズムではなく、本当にランダムな量子変動に基づいて数字を吐き出すことができる。

他の人たちは、通常のコンピューターから将来の量子コンピューターにタスクを送信する安全な方法に取り組んでいます。量子コンピューターは、特定の作業では今日のコンピューターよりも優れていると期待されているデバイスであり、皮肉なことに、その中には、今日のクレジットカード取引を保護している非常に大きな数の因数分解も含まれています。

暗号作成者と暗号解読者の将来は絡み合っており、双方にとって量子的なものになるかもしれない。