将来の量子コンピューターは、現在のデータ暗号化を破る可能性があります。
2016年、米国国立標準技術研究所（NIST）は世界中の暗号研究者に呼びかけ、新たなセキュリティ標準となる量子耐性アルゴリズムの開発を求めました。
同研究所は、セキュリティと性能に基づいて選ばれた、量子耐性暗号システムの採用候補を発表したばかりです。
量子耐性暗号は、現代の暗号に取って代わり、将来の機密データを量子ハッキングから守ると期待されています。
政府機関が暗号を安全に利用するための標準を策定する米国政府機関、米国国立標準技術研究所（NIST）は、量子耐性アルゴリズムを開発する6年間の競争の勝者を発表したばかりです。
なぜ重要なのでしょうか。医療、金融、健康に関する記録などの機密データを保護するには、暗号化と認証が不可欠です。現在の対策はかなり堅牢ですが、将来の量子コンピューターが状況を変える可能性があります。自然界の量子の複雑な性質に基づくこの新興の強力な技術が暗号を破り、デジタル生活に大混乱をもたらす可能性があると、繰り返し指摘されてきました。それでも、そうした事態が起こる可能性は低いでしょう。
量子耐性暗号はどうすれば実現できるのでしょうか。
これを防ぐため、研究者たちは次の技術の開発に取り組んできました。それは、量子耐性暗号と呼ばれるものです。こうした最先端の方式は、今日広く採用されているものとは異なる数学的アプローチに基づいています。たとえば、格子数学や同種写像に基づく数学を応用した手法があります。
NISTが採用候補となる量子耐性暗号システムを発表したことで、将来の量子コンピューターがもたらす潜在的な脅威から、世界はまもなく守られるかもしれません。
次の科学者たちは、IBMで研究し、多くの採用候補アルゴリズムに携わりました。IBMの研究者とパートナーが開発した採用候補の一つが、公開鍵暗号方式CRYSTALS-Kyberです。そのほか、IBMの科学者と協力者が開発したデジタル署名方式、CRYSTALS-Dilithium、Falcon、SPHINCS+も選ばれました。
さらに、IBMが開発した5つ目の方式、いわゆるSIKE暗号方式は、今後の研究と将来的な標準化の可能性に向けて検討対象となっています。採用されれば、新しい方式によってコンピューターシステムを量子ハッキングから守れるはずです。世界中の組織は、できるだけ早くこれらの方式への移行を検討すべきです。
NISTは、政府機関が暗号を安全に利用するための標準を策定する米国政府機関です。世界中の多くの公的機関や民間組織が依拠するこれらの標準は、利用者のコンピューターが通信相手のコンピューターと安全に通信できるよう、さまざまな暗号アルゴリズムの使い方を定めています。ウェブでの買い物から機密データの転送まで、今日の安全なグローバル通信の基盤となっています。
新たなセキュリティ標準に向けた量子耐性アルゴリズム
ただし、それが当てはまるのは古典コンピューターだけです。量子コンピューターは異なります。
量子コンピューターは量子力学の性質を利用し、将来、古典コンピューターでは解けない特定の問題を解決できると期待されています。量子コンピューターは、現在よりはるかに効率よく新素材を生み出し、金融市場の変動をより深く把握するなど、さまざまなことに役立つ一方で、NISTが現在標準化している暗号アルゴリズムの一部を破り、それらで暗号化された機密データを露呈させる可能性もあります。
この問題に先手を打つには、新たな標準を採用する必要があります。
たとえばIBMでは、この新しいタイプの量子耐性暗号の研究が2015年ごろに始まりました。同社のチューリッヒ研究所に所属する一流の暗号研究者の一人、ヴァディム・リュバシェフスキーは、フランスからスイスに移ったばかりでした。スイス国立科学財団から資金を得て、研究を開始しました。彼は一人で取り組んだわけではありません。資金によって、当時ETHの博士課程に在籍していたグレゴール・ザイラーを含む、数人の重要な人材を採用できました。ザイラーは後に、格子ベースの暗号システムの構築に欠かせない役割を果たしました。
そして2016年、NISTが新たな量子耐性アルゴリズムを開発する国際コンテストを開始し、産業界や学界に暗号をめぐる波紋が広がりました。世界中の複数の企業が参加する一方、理論家から実務家まで、暗号分野を代表する多くの人々がIBMに所属するか、IBMと協力し、NISTが最近発表した新方式の開発に貢献しました。
量子耐性暗号の基礎
現在、暗号には次の2種類があります。共通鍵暗号と公開鍵暗号。
量子コンピューターによって解読される可能性があるのは、公開鍵暗号です。これは、安全なウェブブラウザーやチャット、VPNなど、日常の通信でよく使われています。数学的に関連づけられた秘密鍵と公開鍵に依存し、公開鍵は暗号化または検証に使われます。秘密鍵は、データを復号または署名する特定の当事者だけが使うことを想定しています。
多くの公開鍵暗号アルゴリズムは、素因数分解と呼ばれる数学の問題に依存しています。鍵が長く、つまり含まれるビット数が多いほど、暗号の解読は難しくなります。現在のコンピューターにはこれらのアルゴリズムを破れませんが、1994年にピーター・ショアが開発したショアのアルゴリズムを使えば、量子コンピューターは解読できる可能性があります。数列がどれほど長くても、数の因数分解は、数百万個の量子ビットを持つ量子コンピューターにとっては朝飯前だからです。
現在、SSL、トランスポート層セキュリティ、HTTPSなどの暗号プロトコルは、暗号の「プリミティブ」と呼ばれる低水準の暗号アルゴリズムに基づいています。これにはデジタル署名、認証方式、暗号化方式が含まれます。しかし、暗号プリミティブが侵害されれば、これらのプロトコルは役に立たなくなります。
そこで役立つのが格子暗号です。格子暗号は「数の幾何学」と呼ばれる数学の分野に基づき、複雑な代数構造である格子の中にデータを隠します。格子に近い空間上の点を作るのは簡単ですが、格子暗号が難しいのは逆方向に進むのが困難だからです。空間上の点から格子内の最も近い位置を見つけるには、格子の次元に対して指数関数的に増える時間が必要です。
この問題は1970年代から研究されており、効率的なアルゴリズムが見つかれば、多くの重要分野で幅広く応用できます。また、量子アルゴリズムの研究者たちからも大きな注目を集めてきました。
未来を守る量子耐性暗号で
NISTは、2024年までに採用候補の暗号システムを標準化すると発表しました。これは、米国政府がこれらの方式の採用を開始し、納入業者にも使用を求めることを意味します。
標準はおそらく一つだけにはならないでしょう。古典暗号で見てきたように、科学的または政治的な理由から、さまざまな標準が使われています。やがて、ある標準が明らかに優れていると分かれば、新しいシステムでは一般にその標準が選ばれるようになります。
量子耐性暗号は、まだ非常に初期の段階にあります。暗号を利用する人々のニーズは、10年後には異なっているかもしれません。現在重視されているものより別の特性を高く評価し、特定の用途に最適な方式を使いたいと考える可能性もあります。とはいえ、多くの専門家が将来さまざまな分野での利用を見込む格子暗号より高速なものが登場するとは、想像しにくいでしょう。
世界中の組織は、量子コンピューターのリスクを理解し、NISTが量子耐性標準を選定したことで解決策が利用可能になりつつあると認識することが不可欠です。今すぐ準備を始めるべきです。
