データセキュリティに関する数十年にわたる研究により、デジタル署名や暗号化などの一般的な作業に使える、信頼性の高い標準化ツールが実現しました。しかし、ハッカーはデータセキュリティの革新を破ろうと絶えず取り組んでいます。現在のクレジットカード／デビットカード技術は詐欺に対して脆弱であり、個人の資金を危険にさらしています。
偽造防止や実物の認証を扱う物理セキュリティも、問題の一部です。善玉と悪玉は終わりのない軍拡競争を繰り広げています。一方が複製困難な物体や構造を開発し、もう一方がそれを複製しようとし、多くの場合、成功します。
しかし、私たちは新たな発明によってハッカーを置き去りにできる可能性があると考えています。この革新的なセキュリティ対策は、光の量子的性質を利用し、物体を確実に認証して不正を防ぎます。
PUF：隠し立てなしで戦う
この軍拡競争は秘密裏に行われます。技術を明かせば敵を利するからです。その結果、技術が実際にどれほど安全なのか、誰にも分かりません。
驚くべきことに、Physical Unclonable Functions（物理的複製不能関数、PUF）と呼ばれる近年の技術により、すべてを公開することが可能になりました。PUFは、さまざまな方法で調べることができ、与えられた課題とPUF内部の構造にきわめて精密に依存する複雑な応答を返す素材です。
最もよく知られた例は光学PUFです。PUFは、何百万ものナノ粒子を含む白い塗料などの素材で、照射された光を強く散乱させます。光は塗料の内部で跳ね返り、認証に使える固有のパターンを作り出します。光学PUFはあらゆる物体に使えますが、クレジットカード／デビットカードに特に有用でしょう。
カードをATMに差し込む場面を想像してください。ATMはカード上の白い塗料にレーザー光を照射します。ATMがランダムに生成する、複雑で予測不能な「形状」（角度、焦点、ピクセルパターン）を持つビームが課題となります。PUFの内部では光が何度も散乱し、多くの干渉が生じます。
出てくる光が応答です。スペックルと呼ばれる明暗の点からなる複雑なパターンを、ATMはカメラで記録できます。ATMはPUF登録データベースにアクセスできるため、カードが挿入されると、そのカードのPUFの特性が分かります。ATMは反射したスペックルパターンがどのように見えるはずかを計算します。十分に似ていれば、カードは本物だと判断します。
スペックルは、課題やPUFの構造のごくわずかな変化にも敏感です。スペックルの物理現象は複雑なため、PUFは事実上複製できません。
PUFの製造工程を秘密にする必要がないのは、まさに複製不能だからです。製造工程を知っていても、工程に含まれる制御不能なランダム性によって、PUFの複製は依然として阻まれます。暗号技術と同様に、公開コンテストを開催し、物理セキュリティの確かな標準を確立することもできます。
デジタル模倣は依然として課題
PUFを完全に複製する、あるいは物理的に精密に模倣することは考えられますが、非常に、非常に困難でしょう。光学PUFでは、軍拡競争において善玉が明確に優勢です。
認証プロトコルにとって、より大きなリスクはデジタル模倣です。特定のPUFに対するデジタル模倣攻撃は、次の3段階で構成されます。
第1に、ハッカーが課題を測定します。ATMの例では、これはレーザー光です。
第2に、ハッカーはその課題に対する応答を得ます。これは、あらかじめ作成した表から調べるか、模倣ソフトウェアを実行することで可能です。（攻撃者は各PUFについてすべてを知っています。情報が公開されているためです。）
第3に、ハッカーは正しい「応答」であると判断したスペックルパターンを持つレーザー光を照射します。
私たちが関心を持つのは「遠隔」認証です。この場合、検証者はPUFを直接制御できず、攻撃者はPUFについてすべてを知っています。このシナリオでは通常、検証者は現場に厳重に防御されたハードウェア機器（ATMなど）を設置し、だまされることなくPUFを読み取らせる必要があります。しかし、これは第2の軍拡競争を招きます。つまり、安全な電子機器の設計と、ハードウェアのハッキングやなりすましとの競争です。この種の競争では、「善玉」が敗者になることも少なくありません。
解決策：量子読み取り
数年前、私は 量子物理学を利用することで PUFの読み取りからデジタル模倣の脅威を完全に排除できると気づきました。
課題は予測不能な量子状態、つまり単一光子でなければなりません。それがPUFと相互作用し、変化した量子状態として戻ってきます。先ほどの「古典的」なスペックルパターンではなく、検証者が探すのは、特定の複雑な量子状態にある一つの光子です。
量子物理学の法則により、攻撃者は課題を正確に特定できません。ハッカーが光子を観測しようとすれば、量子状態を収縮させてしまいます。測定を試みるだけで、情報の大半が失われます。また、量子複製不可能定理によれば、量子状態の完全に同一な複製を作ることは不可能です。
攻撃者には打つ手がありません。課題が分からないため、応答を探すべき場所を参照表の中から特定できません。一方、検証者は期待される応答を正確に把握しています（攻撃者とは違い、課題を知っています）。そのため、戻ってきた光子が正しい状態にあるかどうかを判断できます。
量子読み取りの概念が安全であることは厳密に証明されていますが、実際にどう実現するかはすぐには明らかになりませんでした。
光の操作
光子の興味深いところは、粒子であると同時に波でもあることです。粒子なので、エネルギーの一つの塊として検出しなければなりません。また波であるため、広がって自らと干渉し、応答としてスペックルパターンを形成します。量子の光は、複雑な姿をした幽霊のようなものです。では、単一光子のスペックルパターンをどう検証すればよいのでしょうか。
2012年、 トゥウェンテ大学の研究者たちは、 答えが手元にあることに気づきました。鍵となるのは空間光変調器（SLM）です。これはスペックルパターンの形を変えるプログラム可能な装置です。彼らの実験では、光学PUFからの正しい応答が集束し、ピンホールを通過するようにSLMをプログラムしました。ピンホールでは光子検出器が光子の存在を検知します。一方、誤った応答は、ピンホールを通過しないランダムなスペックルパターンに変換されます。
この手法は 量子セキュア認証 （QSA）と名付けられました。
量子技術だが難しくない
QSAでは秘密を必要としないため、秘密を保護するために費用をかける必要がありません。QSAは、すでに利用可能な比較的単純な技術で実装できます。PUFは塗料の層ほど単純なもので構いません。
課題は単一光子である必要もなく、パルス内の光子数が十分に少なければ、弱いレーザーパルスで足ります。CDプレーヤーに使われているようなレーザーダイオードは広く入手でき、安価です。SLMは最新のプロジェクターにすでに搭載されています。感度の高いフォトダイオードやイメージセンサーを光子検出器として利用できます。
こうした利点をすべて備えるQSAは、カードやその他の物理的な証明書類の安全性を大幅に高める可能性があります。
この記事は当初、 The Conversationに掲載されました。 元の記事をお読みください。
掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：ボリス・シュコリッチは、アイントホーフェン工科大学の助教です。
画像：顧客がATMで取引を行う。REUTERS/Laszlo Balogh
