世界初、永遠に予測不可能な「完全乱数」を生成。ETHチューリッヒが暗号技術の常識を覆す

私たちの日常は、原因と結果の強固な連鎖で編み上げられている。ペンから手を離せば重力に従って床に落ちる。投げたコインの裏表は、空中に弾き出された瞬間の初速、回転角、空気抵抗、そして床の摩擦係数といった初期条件を完璧に把握できれば、落下する前に計算で特定できる。物理学者アルバート・アインシュタインが「神はサイコロを振らない」と表現したように、古典物理学の世界観においては、すべての事象は過去の条件によって決定づけられている。私たちが日々の生活で感じる「偶然」とは、単に人間がすべての変数を把握しきれないという情報の欠如に過ぎない。

しかし、現代の高度に発達したデジタル社会は、この「真の偶然の不在」によって常に崩壊の危機と隣り合わせにある。インターネット通信の暗号化や国家機密を保護する暗号アルゴリズムは、すべての基盤を「誰にも予測できない数字の羅列（乱数）」に依存している。予測可能性を少しでも残してしまえば、悪意ある第三者がパターンの隙を突いて暗号の鍵を解読してしまう。科学者たちは長年にわたり、人間やスーパーコンピュータが絶対に予測できない完璧な無秩序を求めてきた。だが、現実の物理世界で「完璧なサイコロ」を作り出すことは、不可能に近い難題として長年立ちはだかってきた。

歪んだサイコロの呪縛：物理世界が抱える「偏り」という宿命

暗号の堅牢性は、素材となる乱数の純度に直結している。計算機がソフトウェアプログラムで生成する擬似乱数は、初期値（シード）が露呈すればその後の数列をすべて逆算できるため、真の意味での乱数とは呼べない。この脆弱性を回避するため、現代のセキュリティシステムは自然界の物理現象に頼ってきた。半導体回路の熱雑音や、大気中に発生するノイズといった予測困難な現象を用いて数字を生成している。

だが、これら物理学的な乱数生成器もまた、致命的な弱点を抱えている。現実世界の機器を製造する過程で生じるミクロな非対称性や、外部環境からの微細な温度変化により、出力される数字の確率に極めて小さな偏り（バイアス）が生じてしまうのだ。どれほど精密に削り出されたサイコロであっても、何百万回と振り続ければ特定の目がほんのわずかに多く出る。最新の量子乱数生成器——光子をハーフミラー（ビームスプリッター）に当てて透過するか反射するかで「0」と「1」を決定する装置——でさえも、測定機器の不完全性から逃れられない。これらの微細なバイアスは、日常的な用途であれば無視できる誤差に過ぎない。しかし、国家間の通信や巨大な富を守る暗号技術の世界においては、システム全体を瓦解させる致命的なヒントとなる。

量子の非局所性を応用する：スイスの地下室で起きたブレイクスルー

機器の不完全性による偏りが避けられないのであれば、宇宙の基本法則そのものを盾にして、出力された数字が「永遠に予測不可能」であることを証明するしかない。およそ20年前、スイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETH Zurich）の理論物理学者Renato Rennerが抱いたこの根源的な問いは、長い雌伏の時を経て、ついに現実のものとなった。2026年4月、『Nature』誌に掲載された画期的な実験結果^[1]である。

Rennerと固体物理学者のAndreas Wallraffらが率いる研究チームは、完璧な乱数を無から生み出すのではなく、濁った泥水を高性能なフィルターに通して純水を抽出するようなアプローチを採用した。彼らはこれを「ランダムネス増幅（Randomness Amplification）」と呼ぶ。微小なバイアスを含んだ不完全な乱数を入力として用い、量子力学の特異な性質を活用して、純度100%の真の無秩序へと昇華させる手法である。

この実験の中核を担うのは、絶対零度近く（マイナス273度付近）まで冷却された2つの超伝導量子チップだ。それぞれに搭載された量子ビット（qubit）は、「0」と「1」が確率的に重なり合う状態を維持している。研究チームは極低温に保たれたマイクロ波チャネルを通じて、この2つの量子ビットを「量子もつれ（Entanglement）」という強い相関関係に置いた。一方の量子ビットに対する測定を行うと、その結果が即座にもう一方の量子ビットの状態に影響を与えるという現象である。

30メートルの真空管が担保する「情報伝達の絶対的遮断」

完璧なランダム性を証明するために、研究チームは極めて巧妙な物理的制限を実験に組み込んだ。2つの超伝導量子チップを、長さ30メートルの極低温真空管で物理的に引き離したのである。この30メートルという距離は、無作為に選ばれた数字ではない。光の速さ（秒速約30万キロメートル）をもってしても、測定にかかるごく僅かな時間内では、一方のチップから他方のチップへと情報が到達できない絶妙な距離として設計されている。

ここで用いられるのが「ループホールフリー・ベルテスト（抜け穴のないベルテスト）」と呼ばれる検証手法である。研究チームは、あらかじめ用意した不完全な乱数を用いて、それぞれの量子ビットを測定する際の角度（基底）を決定する。情報交換が絶対に不可能な状況下で測定を行ったにもかかわらず、両者の測定結果には古典物理学では説明できない強い相関（ベルの不等式の破れ）が確認された。

これは、測定結果が事前の初期条件や機器内部の「隠れた変数」によってあらかじめ決まっていたのではなく、測定されたまさにその瞬間に、宇宙で初めて確率的に決定されたことを意味している。光速という宇宙の制限速度を利用することで、機器の不完全性が入り込む余地を完全に封鎖し、抽出された数字が純粋な偶然の産物であることを物理的に証明したのである。

不完全さから真の無秩序を抽出するアルゴリズム

およそ10年前に行われた初期のループホールフリー・ベルテストでは、システムの安定性の問題から数百のデータポイントを抽出するのが限界だった。しかし、本研究では超伝導回路のコヒーレンス時間の大幅な延長と、極めて精緻なマイクロ波制御技術によって「同時高忠実度・高データレート」を実現。数百万にも及ぶ膨大なデータを連続して取得することに成功した。

この膨大なデータポイントは、最終的に「2ソースエクストラクタ（two-source extractor）」と呼ばれるコンピュータサイエンスの高度なアルゴリズムに入力される。この抽出プロセスを経ることで、初期の不完全な乱数が引きずっていた微小な偏りは完全に削ぎ落とされる。結果として出力されるのは、いかなる高度な分析手法を用いても永遠に予測できない完璧なランダム数列である。

ノイズに融解する羊：証明された完全乱数の視覚的実証

理論の正しさとその圧倒的な優位性を直感的に示すため、研究チームは極めて示唆に富む実験を行った。デジタル化された羊の画像を、2種類の異なる乱数を用いて「ワンタイムパッド」という手法で暗号化し、視覚的なノイズへの変換具合を比較したのである。

一般的な乱数生成器の数字を用いた場合、乱数に微細な偏りが存在するため、生成されたノイズ画像の中に元の羊の輪郭がうっすらと浮かび上がってしまった。これは、パターンを見つけ出す最新のAI解析アルゴリズムにとって、致命的な手がかりを与えることを意味する。一方で、ETHチューリッヒの実験で抽出された証明可能な完全乱数を用いて暗号化すると、羊の画像は完璧なホワイトノイズへと融解し、元の形状を推測する手がかりは文字通り完全に消失した。

「乱数の絶対基準」が切り拓く量子安全時代のセキュリティ基盤

このブレイクスルーが情報セキュリティ領域に及ぼすインパクトは計り知れない。これまで人類は、時間の概念を共有し同期するために、セシウム原子の振動に基づく「原子時計」という絶対的な基準を構築してきた。今回のETHチューリッヒの研究は、これに比肩する「ランダム性の絶対基準」を確立したと言える。

量子コンピュータの脅威と次世代暗号への布石

とりわけ、凄まじい計算能力を持つ量子コンピュータの実用化が現実味を帯びている現在、既存の暗号体系は重大な危機に直面している。素因数分解の困難さに依存する古典的な暗号アルゴリズムは、計算能力の向上によって数年以内に容易に突破される運命にある。これからの時代に求められるのは、計算の困難さに依存するセキュリティではなく、物理法則そのものに立脚した「量子安全暗号（Quantum-safe cryptography）」である。

証明可能な完全乱数が担保された暗号鍵は、いかなる未来のスーパーコンピュータをもってしても、原理的に解読することはできない。Rennerの「どんな分析手法を用いても永遠に完全にランダムであり続ける」という力強い言葉は、情報セキュリティにおける究極の防御網が完成したことを宣言している。

デジタル社会の根底を支える新たな信頼の構築

さらに、この証明可能な乱数の応用範囲は暗号通信に留まらない。巨大な資金が動く宝くじの抽選システムや、改ざん耐性が極めて重要となるブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムにおいて、絶対的な透明性と無作為性が要求される。これまで「運営側の不正やシステムの偏りがない」と証明することは困難であったが、この技術を用いれば、すべてのプロセスに科学的根拠を伴う正当性を付与することが可能になる。

「自然界には、私たちがどんなに推測しようとしても予測不可能なプロセスが確かに存在します」。Rennerが語るこの言葉は、決定論に縛られてきた私たちの世界観を根本から揺さぶるものだ。証明可能な完全乱数の実現は、人類が自然界の深淵なる不確実性を手懐け、デジタル社会の底辺に絶対的な信頼という新たな秩序を打ち立てた歴史的転換点として、長く語り継がれることになるだろう。