量子暗号とは？仕組みと重要なポイントをわかりやすく解説

量子コンピュータ時代の到来は、消費者向け技術に革新をもたらす可能性と同時に大きな課題も抱えています。その課題の一つが、量子コンピュータは従来の暗号化技術を読解できてしまうことです。そこで、専門家は従来の暗号化技術に変わる「量子暗号」の必要性を指摘しています。

非常に技術的な内容なので詳細を深堀りする必要はありませんが、一般ユーザーであっても従来の暗号から量子暗号への将来的な移行に伴う基本的なリスクについて理解しておくべきでしょう。本記事では、量子暗号とは何か、その仕組みや重要なポイントについてわかりやすく解説します。

量子暗号技術の基礎知識

量子暗号と従来の暗号の違いとは？

従来の暗号と量子暗号は、どちらもデータをランダムに見える暗号文に変換し、鍵がなければ解読できないようにする技術です。その鍵がなければ、たとえ何者かがデータを傍受したとしても内容は読み取られません。

しかし、従来の暗号と量子暗号の仕組みは著しく異なり、量子暗号は暗号技術の歴史における大きな革命とも言えます。

従来の暗号化は数学に基づいています。非常に複雑で、解くのに多大なコストと時間を要する数学的問題を基礎としており、意図された対象者以外がデータを解読できないようになっています。

一方、量子暗号は物理法則に基づいています。理論上、正しく実装されればどのような手法を用いても解読は一切不可能であると言われています。これは、量子暗号は計算に依存するのではなく、物理学の基本原理に依存しているためです。

量子暗号が従来の暗号よりも安全な理由

量子暗号は、原理の性質上、従来の暗号よりも安全であると考えられています。その理由を理解するには、まず従来の暗号技術の問題点を理解する必要があります。

従来の暗号技術が安全に機能している理由は、その暗号が数学的に「絶対に解読不可能」だからではなく、解読するのに現実的ではない膨大な計算リソースと時間を要するからです。世界中の現在の計算能力を総動員しても、最高水準の従来型暗号を解読するには、宇宙の寿命を超える時間がかかると言われています。

しかし、将来的に普及する可能性のある量子コンピュータは、このリソース問題を克服し従来のほとんどの暗号化技術を解読できる可能性があります。この事態に備え、ExpressVPNは独自の高性能VPNプロトコル「Lightway」にポスト量子技術である「Kyber」を統合しました。また、将来的な量子コンピュータによる脅威から守るため、WireGuardプロトコルに対する将来的な対策技術も開発しました。

量子暗号は観測されると状態が変化する「光子（フォトン）」の量子力学的性質を利用しているため、データ盗聴や監視を確実に阻止できると言われています。許可されていない第三者が転送中の量子暗号化データにアクセスまたは閲覧を試みると、データの状態が即座に変化し、盗聴の試みをエンドユーザーに警告します。

量子暗号の仕組みとは？

暗号化に用いられる量子力学の基本原理

量子暗号は、量子力学における以下のような複数の複雑な原理に基づいています。

• 「量子重ね合わせ」：1つの量子ビット（量子ビットはビットの量子版です）が複数の状態を同時に取り得る性質を指します。「量子重ね合わせ」により、量子ビットでは従来ビットよりも多くの情報を符号化できます。

• 「量子もつれ」：物理的に離れた場所にある複数の量子ビットが結びつき、同じ運命を共有する性質です。この特性により、理論上破られない暗号化が実現します。

• 「不確定性」：ハイゼンベルクの「不確定性」原理は、粒子の全ての性質を同時に正確に測定することは不可能であり、粒子の状態を測定しようとする試みは必ずその状態を変化させるという原理を指します。

量子暗号化の定義と仕組みとは？

量子暗号（量子暗号技術）とは、数学ではなく物理学の原理に基づいてデータを暗号化する技術です。光子（光の粒子）を用いて、光ファイバーケーブルを介して、鍵をA地点からB地点へ伝送します。

量子暗号化は様々な仕組みをベースにした数多くの手法が提案されています。以下は、最も有名な手法である「量子鍵配送（QKD）」の仕組みです。

1. 光子は送信元を離れ、フィルター（偏光子）を通過します。このフィルターは光子に複数の状態のいずれかを割り当てた後、反対側の受信機へと送ります。
2. ビームスプリッター（光学分野の装置）と検出器が受信光子をランダムに測定します。
3. 測定結果は公開チャネルを介して送信者と受信者間で伝送されます。これによりデータの復号用暗号鍵が形成・確認されます。

量子暗号の将来的な活用例

量子暗号の具体例とは？

「QKD（量子鍵配送）」は数多くある量子暗号技術の中でも最も有名な量子暗号技術です。量子力学の原理を利用しており、通信を行う二者間で極めて安全に暗号鍵を交換できる技術です。盗聴者が鍵を傍受しようと試みると、送信者と受信者の双方で検知されます。

現在、量子暗号は利用されている？

量子暗号は未だ研究開発段階にあります。広範な事業や産業への普及には程遠い状況です。ただし、一部の分野や環境では試験運用・導入が進められています。

例えば、通信会社や一部の大企業ではQKDの試験運用の実施や、QKD技術の導入が開始されています。

政府・軍事分野における量子暗号

様々な国（政府）や軍隊が、量子暗号の研究開発に投資しており、量子暗号技術の実装に向けて独自の戦略を模索しています。

その主な理由は、量子暗号が量子コンピュータを悪用したサイバー脅威や安全なデータ保存と通信において大きな可能性を秘めているためです。現時点では、量子コンピュータを悪用したサイバー脅威は将来的な懸念ですが、量子コンピュータが普及すれば非常に深刻な問題となりえます。

量子暗号のメリットと課題点

量子暗号のメリット

• 高度なセキュリティ：量子暗号化は既存の従来型暗号化技術よりもはるかに安全であると言われています。量子暗号化は従来の暗号化とは異なり、数学的公式ではなく物理学原理を基盤とするため、理論上読解不可能な安全な通信接続の構築が可能です。

• 盗聴の即時検知：第三者が量子暗号で暗号化されたデータを読み取ろうと試みると、エンドユーザーは即座に通知を受けます。データの量子状態は観測された瞬間に変化し、両端の関係者に警報を発する仕組みとなっています。

• 多様なプロトコルと広範な応用：量子暗号技術は複雑かつ多様性に長けており、QKD（量子鍵配送）、量子デジタル署名、量子秘密分散、QSDC（量子セキュアダイレクトコミュニケーション）など、実に様々な手法やアルゴリズムが開発されています。

現時点での技術的な限界と課題

• 通信距離の制限：QKDなどの量子通信方式には通信距離の制限があり、現在約400〜500キロメートル（250〜300マイル）と推定されています。これは、光子が長距離移動中に損失または吸収される可能性があるためです。

• 高コスト：量子暗号には、光子発生器や検出器といった専用ハードウェアに加え、専用の光ファイバー接続が必要となります。そのため、従来の暗号化技術と比較してコストが非常に高いです。

• エラーのリスク：光子は伝送中に散乱・消失したり、偏光状態が変化したりする可能性があります。これにより通信トンネルの反対側に到達した際に暗号化エラーが発生する恐れがあります。長距離通信では特にエラーのリスクが高まる傾向にあります。

量子暗号の未来とは

量子コンピュータは従来の暗号化技術を破れるか？

量子コンピュータは、ほとんど（またはすべて）の従来の暗号化技術を破ることができると言われています。これは、量子コンピュータの処理能力が従来のコンピュータをはるかに上回るためです。そのため、暗号開発者たちは量子コンピュータのサイバー脅威にも対抗できるポスト量子暗号（PQC）アルゴリズムの開発に取り組んでいます。

量子耐性アルゴリズムの開発競争

量子コンピューティング技術の開発が進む中、量子コンピュータを悪用したサイバー攻撃を防ぐための高度な暗号技術の開発と導入に向けた取り組みもどんどん進められています。現在の暗号化技術は数学ベースの仕組みで、ハッカーがコードを解読するのに十分な計算資源を持たないことに依存しているため、量子コンピュータが今後実装されると、高度な量子攻撃に対して脆弱となるためです。

量子暗号通信の開発トレンド

量子暗号通信技術の開発がどんどん進んでいます。現在の主な開発トレンドは、以下の通りです。

• QKD（量子鍵配送）の着実な技術向上。
• 量子テレポーテーション（量子キャリアを物理的に伝送せずに量子情報を転送する技術）の開発。
• 大規模な量子ネットワークの構築と、それを実現するためのインフラ整備。

量子暗号で鍵となる専門用語

「量子鍵配送（QKD）」とは？

「量子鍵配送（QKD）」とは量子力学の原理をベースとしており、通信を行う二者間で極めて安全に暗号鍵を交換できる技術で、秘密鍵を構成するデータをエンコードした量子状態を伝送する量子チャネルを利用します。QKDは量子コンピュータによるサイバー攻撃も阻止できるほど高度な技術で、物理学的に「正しく実装されればQKDは解読不可能である」と考えられています。

量子暗号における「重ね合わせ」とは？

「重ね合わせ」とは量子力学の原理で、量子ビットが複数の状態を同時に保持できる性質を指します。量子暗号では、この重ね合わせ原理をQKDプロトコルに活用し、安全な通信経路を構築します。