量子コンピュータによるハッキングすらも阻止できる方法が考案されたが、難解すぎて理解出来る者が少ない事が問題だ

2024年4月30日

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今朝、あなたにコーヒーを買ってくれたカードをタップすると、地球の裏側にいるハッカーがあなたの銀行口座にアクセスし、好きなものを買うことができたとしよう。それが一度限りの不具合ではなく、常に起こってしまうとしたら？私たちの電子データを保護する鍵が突然動かなくなったとしたらどうだろうか。

これはSFのシナリオではない。十分に強力な量子コンピューターが登場すれば、現実になるかもしれない。これらの装置は、量子の世界の不思議な性質を利用して、通常のコンピューターでは解読に一生以上かかるような秘密を解き明かすだろう。

いつ実現するかはわからない。しかし、サイバー犯罪者やその他の敵対者が暗号化されたデータを今盗み出し、量子コンピューターで解読できるその日のために保管しておく、いわゆる「今盗み出して、後で解読する」攻撃については、すでに多くの人々や組織が懸念している。

量子コンピュータの出現が近づくにつれ、暗号学者たちは、そのような仮想的な攻撃からデータを保護するための新しい数学的スキームを考案しようとしている。この数学は非常に複雑だが、デジタル世界の存続はこの数学にかかっているかもしれない。

量子暗号

現在のオンライン・セキュリティの多くを解読する作業は、掛け合わせると3つ目の数字ができる2つの数字を見つけるという数学的問題に帰結する。この3つ目の数字は、秘密の情報を解錠する鍵と考えることができる。この数字が大きくなればなるほど、普通のコンピューターがこの問題を解くのに要する時間は、私たちの一生よりも長くなる。

しかし、将来の量子コンピューターは、この暗号をもっと早く解読できるようになるはずだ。そのため、量子コンピュータによる攻撃に耐えられる新しい暗号化アルゴリズムを見つける競争が始まっている。

米国立標準技術研究所は何年も前から「量子攻撃に耐えられる」暗号アルゴリズムの提案を呼びかけているが、今のところ精査に耐えたものはほとんどない。(提案されているアルゴリズムのひとつは、Supersingular Isogeny Key Encapsulationと呼ばれるもので、2022年にシドニー大学で開発されたMagmaと呼ばれるオーストラリアの数学ソフトウェアの助けを借りて劇的に破られた)

量子コンピューターの進歩に伴い、暗号化方式もそれに追いつく必要がある。

この競争は今年に入ってから熱を帯びている。2月、AppleはiMessageプラットフォームのセキュリティシステムを更新し、ポスト量子未来のために採取される可能性のあるデータを保護した。

2週間前には、中国の科学者たちが量子コンピューター「Origin Wukong」を量子攻撃から守るための新しい「暗号シールド」を設置したと発表した。

同じ頃、暗号学者のYilei Chen氏が、最も解読が難しいとされていた格子の数学に基づくアルゴリズムの重要なクラスを、量子コンピューターが攻撃できる方法を発見したと発表した。格子に基づく方法は、Appleの新しいiMessageセキュリティの一部であり、標準的なポスト量子暗号化アルゴリズムの3つの候補のうちの2つである。

格子ベースのアルゴリズムとは？

格子とは、浴室のタイルの角やダイヤモンド結晶の原子のような、繰り返し構造の点の配列のことである。タイルは2次元、ダイヤモンドの原子は3次元だが、数学的にはもっと多くの次元の格子を作ることが出来る。

このような格子の中に秘密の点を隠した場合、他の誰かが他の点から出発して秘密の位置を見つけるまでにどれくらいの時間がかかるだろうか？このかくれんぼゲームは、データをより安全にする多くの方法を支えることができる。

「エラーを伴う学習」と呼ばれる格子問題の変種は、量子コンピューターでも破るのは難しすぎると考えられている。格子のサイズが大きくなるにつれて、解くのにかかる時間は指数関数的に増加すると考えられている。

格子問題は、現在の暗号化の多くが依存している大きな数の因数を見つける問題と同様、「隠れた部分群問題」と呼ばれる数学の深い未解決問題と密接な関係がある。

Yilei Chen氏のアプローチは、量子コンピューターが特定の条件下で格子ベースの問題をより速く解くことができる可能性を示唆した。専門家たちは彼の結果をチェックしようと奔走したが、すぐに誤りを発見した。エラーが発見された後、Chen氏はエラーについて記述した論文の最新版を発表した。

この発見にもかかわらず、Chen氏の論文は多くの暗号技術者に、格子ベースの手法の安全性を確信させるものではなかった。Chen氏のアイデアが、これらの方法を攻撃する新たな経路に拡張できるかどうか、まだ評価中の者もいる。

より多くの数学が必要

Chen氏の論文は、それを理解できる暗号技術者の小さなコミュニティーに嵐を巻き起こした。しかし、広い世界ではほとんど注目されなかった。おそらく、この種の研究やその意味を理解する人があまりに少ないからだろう。

昨年、オーストラリア政府が「世界の量子産業のリーダー」となるための国家量子戦略を発表した際、「量子テクノロジーは、繁栄し、公正で、包括的なオーストラリアに不可欠である」という重要な脱落があった。

オーストラリアには量子コンピューターや量子情報科学の第一人者が数多くいる。しかし、量子コンピュータを最大限に活用し、そして防御するためには、新しい知識と研究を生み出すための深い数学的訓練が必要である。

本記事は、Nalini Joshi氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Mind-bending maths could stop quantum hackers, but few understand it」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。