データセキュリティは、安全なインターネット通信の確保を目的としており、盗聴者の ハッキング 能力に追いつく必要があります。コンピューターの高速化・高性能化により、 解読技術 が強化されるにつれ、データと通信は攻撃に対してより脆弱になるでしょう。
現行の暗号化規格は、乱数生成器と複雑な数式に依存しています。問題は、技術の進歩により現行の暗号化手法が時代遅れになることです。その結果、より優れた解読手法が開発されるまで、データは露出し、傍受される危険にさらされ続けます。
しかし、まったく新しい世界が開けつつあります。今後のセキュリティは 量子鍵配送にあり、この分野は1984年に最初の方式が登場して以来、急速な研究開発が進められてきました。量子鍵配送は量子力学を利用して安全な通信を確保します。これにより、2者は、自分たちだけが知る共有のランダムな秘密鍵を生成でき、その鍵を用いてメッセージの暗号化・復号を行えます。
光ファイバーネットワークと自由空間衛星通信の両方に適用できます。量子鍵配送の高速な伝送を異なるチャネル上で支える技術は、既存のネットワークに容易に組み込めるよう開発が進められています。
量子物理学が新たな世界を切り開く
量子鍵配送は、機密性とプライバシーを守るための主要技術となる可能性を秘めています。量子力学の法則は技術の進歩によって脆弱になることがないため、量子鍵配送は、初にして唯一の無条件に安全なデータ暗号化方式となっています。
どのようにして可能なのでしょうか。量子物理学の驚くべき効果により、量子によって保護されたメッセージは盗聴から守られます。ワンタイムパッド方式で用いると、量子鍵配送は、企業、政府、個人のいずれの用途においてもデータ転送を暗号化できます。
異なる通信チャネルにおける量子鍵配送技術の発展により、世界規模の量子ネットワークが実現可能になるでしょう。
仕組み
量子鍵配送の力は、 量子 鍵配送によって、短い事前共有の認証パスワードと公開のやり取りから、2者が秘密鍵を確立できます。これは従来の非量子的手段では不可能です。
量子鍵配送は、解読不可能なセキュリティのための二つの要件を満たすことができます：
量子乱数生成器から真にランダムなビット列を生成し、ワンタイムパッドの暗号鍵として用いること；および
認証済みユーザー間で暗号鍵を安全に配送すること。
量子鍵配送は、力学の法則を道具として用い、ユーザー間で共有される暗号鍵を保護します。鍵は二進数のビット列の形をとり、機密データと組み合わせることで判読不能にできます。前提は単純です――盗聴者が暗号化データを盗んでも、鍵がランダムかつ安全であれば、そこから情報を得ることはできません。
光の単一光子などの量子粒子が、暗号鍵を形成するためのデータ搬送波として用いられます。量子粒子は、情報を秘匿するために利用できる挙動を示します。
盗聴者が、意図された受信者に到達する前に量子粒子の運ぶ情報を測定またはコピーしようとすると、認証済みユーザーは伝送中に高い誤り率に気づきます。その場合、ユーザーは鍵を破棄し、最初からやり直すことができます。傍受された鍵はまだ機密情報の暗号化に使われていないため、破棄しても害はありません。
多くの鍵配送方式が考案され、異なる用途に合わせて調整されてきました。単一光子は、偏光状態やパルス間の位相差などの二準位系を用いて量子ビットに符号化され、二進数データを表します。
量子ビットは専用の量子チャネルで送信されますが、鍵のふるい分け手順は公に議論されます。量子プロトコルは、公開された通信が盗聴者にとって不明瞭であり、それ以上のセキュリティを必要としないように設計されています。
アイデアから既製品へ
現在、商用で入手可能な システム は、都市圏の光ファイバーネットワーク通信の暗号化に使用できます。新たな研究は、低損失ファイバーやより効率的な検出器を用いてチャネル長を延ばすことに焦点を当てています。
研究者はまた、情報を破壊せずに信号を増幅できる装置である量子リピーターも研究しています。
衛星を介した自由空間量子通信は、長距離に適しています。自由空間量子鍵配送技術は活発な研究分野であり、伝送を乱す乱流の影響の克服に重点が置かれています。
近距離向けの個人用量子鍵配送機器は、新たでエキサイティングな研究分野です。これらの機器は、クレジットカード決済や銀行取引に用いることのできる暗号鍵のチャージを消費者に提供できます。機器は、手持ち型、あるいは携帯電話に組み込めるほど小型になるよう設計されています。
量子鍵配送は南アフリカに足場を築きました。2008年、ダーバンは世界初の Quantum Cityとなり、商用の量子鍵配送システムを用いてeThekwini Municipalの光ファイバーネットワークを暗号化しました。ダーバンのThe Moses Mabhida Stadiumも、2010年ワールドカップの期間中にセキュリティ通信を暗号化するために量子技術を用いた初の スタジアム となりました。
量子鍵配送の用途
欧州電気通信標準化機構（ETSI）は、量子技術の利用に関する標準を 公表 しており、想定される用途には次のようなものがあります：
都市圏ネットワーク上で、企業や政府機関の支店間の通信を暗号化すること。これにはオフサイトのバックアップサーバーとのデータ転送も含まれます；
重要インフラの制御またはネットワークのバックボーンにおける安全な通信；および
信頼できないノードを経由した遠隔拠点間の暗号化通信。
サイバー通信が推進する社会では、あらゆる通信に解読不可能なセキュリティ対策を適用したくなるのは自然なことです。しかし、すべてのデータ伝送が完全に安全で秘密に保たれることには、どのような影響があるのでしょうか。
悪意ある活動に関する通信に、解読不可能な暗号化が適用されないという保証はありません。量子鍵配送はデータセキュリティに新たな可能性をもたらしますが、この技術をどのように利用すべきかを検討することが重要です。
本記事は The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者： Sharmini Pillay はUniversity of KwaZulu-Natalの博士課程候補者です。
画像：ベルリンで撮影されたこのイラスト写真では、コンピューター画面の前に手のシルエットが映っています。REUTERS/Pawel Kopczynski
