ハッカーによるサイバー犯罪の手口がますます巧妙化するなか、システムの安全性を高め、ひいてはハッキングを不可能にする新たな技術に目を向ける必要があります。
一部のハッキングには、すでに究極の答えが分かっています。量子物理学は、自然の法則によって保証された絶対的に安全な情報共有の方法をもたらします。
基本となる 量子通信の考え方 は、シンプルで洗練されています。しかし、単純な発想も、しばしば現実世界の実務上の課題に直面します。
幸い、量子物理学の研究は、問題を完全に解決するさらに高度なツールを生み出しています。技術はまだ成熟していませんが、実用化は近づいています。
問題の核心
次の状況を考えてみましょう。アリスとボブという2者が、ネットワークを介して安全なメッセージを送りたいとします。たとえば、オンライン購入のクレジットカード情報です。
2人がそれぞれ、自分だけが知る同一の乱数リストを持っているとしましょう。このリストを 秘密鍵 として使い、解読不可能なメッセージを符号化して送信できます。しかし、そもそも共有鍵をどうやって作るのでしょうか。
量子物理学を使わない従来の方法では、アリスは通常の情報ビット（0と1）で構成された鍵をボブに送ります。しかし、その鍵が傍受・複製され、アリスにもボブにも知られないまま送り届けられる可能性があります。鍵がもはや秘密でなければ、他者がその鍵を使って符号化されたメッセージを復号できるため、安全性が損なわれます。
巧妙な数学的手法 を使えば、盗聴を試みるサイバー犯罪者イヴが傍受した鍵を利用するのを難しくできます。しかし、十分な時間があれば、あるいは将来の 量子コンピューターがあれば、暗号は破られる可能性があります。
安全な量子鍵
ここで量子物理学が登場します。まずは簡単な仕組みから見てみましょう。アリスは通常のビットではなく、量子ビット（キュービット）を使ってボブに鍵を送ります。そのために、光の個々の粒子である光子を使うことができます。
通常のコンピューターのビットとは異なり、光子の量子ビットは、0と1の 両方 の値を同時に取ることができます。シュレーディンガーの猫が、 有名な思考実験 で死んでいると同時に 生きているのと同じです。光子の量子ビットは通常の0または1の状態にも、こうした奇妙な 重ね合わせ 状態にも準備できます。これらをランダムに選ぶことで、アリスが送る鍵が作られます。
光子は ハイゼンベルクの不確定性原理 に従うため、イヴが光子を測定すると、光子が運ぶ情報が変化します。
この変化によってハッキングが発覚するため、アリスとボブはメッセージの符号化に使わず、鍵を破棄します。ハッキングがなければ、秘密鍵を使って絶対的に安全なメッセージを符号化できます。
この単純な量子鍵配送（QKD）の方式は、たとえば光ファイバーなどの通信路を侵入から守ります。
しかし、ハッキングされる可能性のある場所はほかに2つあります。アリスの光子送信装置と、ボブの光子測定装置です。この単純なプロトコルでは、どちらも完全に安全であることを前提としています。
しかし、装置の販売業者がイヴと結託していないと、アリスとボブはどうすれば確信できるでしょうか。サイバー犯罪者は高度なネットワークを構築するのが非常に巧みです。誰を信頼すればよいのか、どうすれば分かるのでしょうか。この新たな問題や、同様に厄介な派生問題を解決する方法はあるのでしょうか。
絡み合った不思議な世界
答えは 量子もつれです。もつれた2つの光子は、量子力学的に結び付いた状態にあります。一方の光子に蓄えられた情報を測定すると、もう一方の情報が分かります。
この効果は、2つの光子が遠く離れていても、地球の反対側にあっても成り立ちます。
最初の光子を測定すると、必ずランダムな結果、具体的にはランダムな0または1のビットが得られます。役に立つと思いますか？そのとおりです。アリスとボブが、もつれた対の別々の光子に同じ測定を行うと、ランダムでありながら 共有された数値が得られます。これを多数のもつれた対で繰り返すことで、秘密鍵を生成できます。
次の例を考えてみましょう。アリスは光子のもつれた対を作り、その一方をボブに送ります。アリスのランダムな測定結果が0なら、ボブの測定結果も0になります。
同じ方法で作られ、分配された2つ目のもつれた対では、アリスが1を測定すれば、ボブも1を測定するでしょう。こうして続けることで、2人は共有するランダムなビットの長い列を作り、それを秘密鍵にします。イヴが光子の一方を測定しようとすれば、もつれが壊れ、その影響をアリスとボブは検知できます。
したがって、アリスとボブがもつれを共有していることを検証できれば、通信路が信頼できると証明されます。
それだけでなく、信頼できない装置を使って、その装置自体が本当に信頼できるかどうかを確認できます。
え、どういうこと？疑わしい詐欺師に、自分が嘘をついているかどうか尋ねるようなものに思えます。うまくいくはずがありません。しかし、 実際に うまくいきます。もつれに含まれる情報の結び付きは非常に強く、ハッキングされた装置では再現できないのです。
現実世界における量子セキュリティ
研究者たちは、信頼できない装置を使った安全な通信のために、もつれに基づく複数の手法を開発してきました。
私がチームと行った 最近の実験 では、量子ステアリングと呼ばれるもつれ検証法を用いました。ステアリングでは、現実世界の不完全さに対する頑健性を得る代わりに、ボブの装置の安全性を一部手放します（現実の不完全な光ファイバーでは、情報が多少混ざり合います）。
しかし、追加の光子量子ビットを使って装置をプログラムすることで、ボブの測定装置の安全性を取り戻しました。ハイゼンベルクの不確定性原理により、ハッキングされた測定装置は、この追加のプログラム用光子に符号化された情報を取り出せません。これは、ステアリング検証を不正に通過するために必要な知識です。
これは量子物理学の奇妙な世界を最もよく示す例です。ボブの装置はプログラムの指示を実行しているにもかかわらず、その指示についてすべてを知ることはできません。
本質的に、私たちのステアリング手法は、もつれに基づく代替手法の一部よりも実装が簡単で、ほかの手法よりも現実世界の不完全さに強いはずです。
まもなく実現へ
今後はどうなるのでしょうか。単純なQKDシステムの商用プロトタイプはすでに存在し、銀行支店間の情報転送など、 現実世界の業務における通信路の保護 に使われています。
しかし、既存の商用装置は、通信路だけを保護するよう設計されていたため、 アリスまたはボブの装置を攻撃されてハッキングされたこともあります。これまで見てきたように、端末装置を保護するもつれベースの方式は、すでに実証されています。今後5年ほどで、商用化に十分な成熟度に達することが期待されます。
この種の量子通信セキュリティ技術を実装するには、ユーザーは既存のコンピューターネットワークに加え、もつれを共有するための量子リンクを必要とします。量子リンクは、アリスとボブそれぞれのQKD装置を接続する光ファイバーのような単純なものでもよく、その装置を通信するコンピューターに接続します。
より長距離または複雑なリンクでは、開発中の新たな量子信号増幅装置（量子中継器）を用いて、既存の光ファイバーネットワークを改修する必要がありそうです。一方、量子対応スマートフォンでATMを利用するなど、モバイル環境でのQKD保護データ転送も考えられます。
QKD技術は、送信される情報そのものを保護したい場合に適用できます。銀行や金融の詳細情報、個人データ、メール、医療記録などは、外部のデータ回線を通じて安全に送信することが望ましい機密情報の一例です。
しかし、この技術は、コンピューターを直接的なハッキング攻撃から守る課題には直接適用できません。パスワードを推測したり、ウイルスを使ってユーザーのアカウントにアクセスしたりする攻撃からは守れません。
同じ種類の量子物理学の原理を、こうした問題への対処に応用できると考える人もいるでしょう。実際、これは未解決の研究課題です。
量子通信はサイバー犯罪のすべてを解決するわけではありません。それでも、一部の重要な情報転送では、ハッカーが自然の法則そのものによって打ち負かされると知っておくのは心強いことです。そしてこれは、友人と安全に共有できるメッセージです。
この記事は当初、 The Conversationに掲載されました。 原文をお読みください。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しません。
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著者：Geoff Prydeは、量子情報、コンピューティング、測定、制御、光学を研究する量子物理学者です。
画像：ノートパソコンを持つ男性にバイナリーコードを投影したイラスト。REUTERS/Kacper Pempel。
