量子暗号

質問

こちらの記事にある
https://jp.rbth.com/lifestyle/81542-putin-itazura-denwa-no-giseisha-ni-naranai-riyuu
通信は光子で伝達されることになっており、これを認識するにはその状態を変化させる必要があるのだが、これを秘密裡に行うことは物理的に不可能なのである。

という通信はどういう仕組みなのか教えてください。

回答No.1

koncha108 · ベストアンサー

データの送信者をA、受信者をBとします。ハッカーをCとします。
とりあえず、現在使われている暗号鍵のおさらいですが、釈迦に説法であれば読み飛ばしてください。
受信者Bは、公開鍵と秘密鍵を作ります。公開鍵はインターネットを経由してAに送り、Aは送信したいデータを公開鍵を使って暗号化し、インターネット経由でBに送ります。ハッカーCは、公開鍵もその鍵で暗号化されたデータも取得できます。ところが、数学的な話なので説明を省きますが、公開鍵は言ってみれば南京錠の様な物で、鍵をかけることはできても、開けることができません。その鍵を開けることができるのはBが持っている秘密鍵だけ。それで公開鍵が堂々とインターネットを流れていても安全です。でもCは、一生懸命合鍵を作ろうとするに違いありません。その合鍵を作るのに、現在の最高速のコンピューターを使っても何千年と言う合鍵を作っても意味の無い時間がかかるので安全とされています。公開鍵は2つの素数の積で成り立っていて、秘密鍵はその素数のうちの一つ。素数分解すれば合鍵が作れるので一見簡単そうなのですが、数桁ならともかく128bitともなると実際にはそうは行きません。
ところが、量子コンピューターが実用化されると、この長大な計算を一瞬で終わらせてしまうことが可能になると言われています。そこで、量子コンピューターでも得ことのできない新しい暗号の仕組みを、世界の数学者が競ったり協力したりしながら作っています。これは現在のコンピューター、通信の仕組みの上で成り立つ仕組みを目指す物。

一方で、量子暗号化は、暗号と通信の仕組みから量子力学を応用して量子コンピューターでも絶対に解けない仕組みを作る試み。安全ぜいは完全に保証できるのですが、特別な光子の経路を作らなければならない上に、外部からの放射線や妨害などの可能性もあり、現在のインターネットの様に世界中張り巡らされると言うより、当面は非常に限られた、特定の拠点間の通信に限定された使い方になるのでしょう。
仕組みの前に、光子の量子力学的な性質から。光子はエネルギー、変更、スピンなど一つ一つが情報を持っています。取り敢えず2つの特性を選んでXとYとします。ところが測定によってXとYがどう言う値かを知ることは不可能で、Xの値を定めればYは不定になってしまい、Yの値を定めればXは不定になってしまうと言う、量子力学の基本原理、不確定性原理に従った現象を起こします。この現象を利用して、送信者Aと受信者Bでやりとりをしながら暗号化鍵を作り上げていくと言うのが基本。まず最初の光子ビットをAからBに送ります。AはXかYの値(1か0)を定めて送るのですが、BはXとYのどちらかの値を読み取ります。その後でAとBで双方X,Yのどちらのつもりで光子を送受信したかを確認し、もし食い違っていたらその値は捨ててもう一度送ります。それを繰り返すことによって、AとBで共通の暗号鍵が出来上がります。では、そのやり取りを全部Cがハックしていたらどうなるかと言うと、AがBに送った光子を途中で抜き取ることになるので、全く同じ状態の光子を今度はCがBに送ってやらなければならなくります。そうしなければBに光子が届かないので、ハックされたことがバレてしまいます。仮にAがXの値を定めて送ったとします。Cはその光子のYを読み取り、Yの値と変化してしまったXの値を持った光子をBに送ったとします。その時にBはXの値を読み取ったとします。するとAとBは同じXの値を参照するので、光子のやりとりは成立するのですが、ところがXが改竄されてしまっているので、確率的に不一致が起こります。Xの値は1か0なので2分の1の確率でA, Bの間に暗号のビット値の食い違いが起こります。ただその段階ではまだハックされたことがわかりません。A,Bで暗号鍵を作る作業を終わった段階で、暗号鍵の中のいくつかのビットで答え合わせをします。この答え合わせが正しければ、途中で抜き取られていないと判断して、完成した暗号鍵を使ってデータを暗号化して送ります。暗号鍵を作成するための光子のやりとりは特別な通信経路と送受信装置を構築して行い、暗号化されたデータやその他のやりとりはインターネットなどの既存のネットワークで行います。

そもそも、暗号鍵を作成するやり取りをハックするためには、相当高度な装置を光子の伝送ルートのどこかに秘密裏に設置しなければならないのですが、仮にそれに成功したとしても、途中で光子を抜き取ったりしたら絶対にバレて、その鍵は捨ててしまって使わないと言う仕組みです。でも妨害はできそうですね。

お礼

とてもわかりやすかったです。ありがとうございました。