近未来最先端軍事テクノロジー


[量子暗号通信]

量子力学解説


■[現代の暗号化システム]
現代の軍事情報暗号化システムは、戦略・戦術情報、画像や指令・命令情報など様々な
デジタルデータを、暗号化アルゴリズムを使用して表面上全く別のデータに変換し、同時
に対応した復元化アルゴリズムで元データの復元を行うもので、この時、暗号化・複元化
を行なう為に鍵が必要となる。大別すると共通鍵暗号方式のDES、FEAL、E2、Camelia
と公開鍵暗号方式のRSA(Rivest、Shamir、Adleman )の2つに分かれる。
現在、最も安全性が高いとして広く普及しているのが、RSA暗号方式だが、解読
アリゴリズムは既に開発されている。  しかしRSA暗号方式の暗号化アルゴリズムは、
桁数の大きな数の素因数分解を行う為の効率的な方法が発見されていない点、及び
今後素因数分解の効率的な計算方法が数学的に発見される事が無い点を利用している
事である。
素因数分解は、素数(3,5,7,11)の積(掛け算の解)に分解する事で、例えば111は
3×37に分解することが出来る。11111(一万一千百十一)は41×271に分解出来る。
数式的には、小さな素数から順々に対象となる合成数を割っていくしか方法が無く、
合成数の桁数が一つ増えるごとに天文学的計算を必要とする計算爆発が発生してしまう。
桁数が百桁以上になると、現在最高性能を有するスーパーコンピューターでも解を導き
出すのに数億年の月日を要する。 軍事目的に使用されるRSA暗号化アルゴリズムは、
素因数分解の解を求める行為(解読)に数十億年かかり、国家的機密事項や米国のNSA
(国家安全保障局)の暗号では200億年かかるといわれており、宇宙創生から約160億年
といわれる我々の世界の現実的時間概念を遥かに超越している。 この様にRSA暗号
方式は、暗号技術の解読アルゴリズムが開発されているのにも関わらず、その解読には
天文学的な計算を行わなければならない素因数分解の難解さを拠り所としており、困難
な計算による時間稼ぎ及び解読意欲の喪失で保障されるものである。
米国は、暗号技術システムを高度戦略物資と位置づけており、厳しい輸出規制を行って
いる。高度な安全性を誇る公開鍵暗号方式のRSA暗号は、公開される鍵に使用される
数値の桁数(鍵長)を厳密に精査されており、輸出されるハードウェアには情報・軍事
機関が解読可能な鍵長しか許可されない。現在輸出が許可されている 共通鍵暗号方式
のDES(*1)で56bit程度のシステム、公開鍵暗号方式のRSAではミリタリースペックは
厳しい管理下に置かれている。

最も安全性の高い暗号の一つとして幅広く普及したRSA暗号方式は、素因数分解の解に
天文学的時間を要する所に拠り所があり、解読法には、素因数分解の効率化と素因数
分解を使用しない方法が探究された。
素因数分解問題の効率化は、暗号技術で使われてきた経緯より遥か以前から長い歴史
の中で数学者達が挑戦し続けてきた問題であり、高度に科学技術が発達した現代の
テクノロジーを持ってしても突然効率的な解読法が見つかる可能性はかなり低いと考え
られいる。 素因数分解を行わず、他の解読方法を発見する手法の結果は、日本の
NTT(NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE CORPORATION)が素因数分解問題の
難解さとRSA暗号解読の難解さが全く同じだと数学的に証明された公開鍵暗号EPOC
(Efficient Probabilistic Public-Key Encryption)を開発した事で、RSA暗号方式は素因
数分解を行うしか解読法が無いと言う事を完全に証明してしまった。つまり問題を唯一解
かない以外には他の方法(抜け道)が無い事を物語っており、安全性が絶対的にまで
向上している。
RSA暗号化システムは、素因数分解の難解さに安全性を依存する事によって、もはや
米国の情報諜報機関NSAの超並列スーパーコンピューターを持ってしても解読不能の
域にまで達している。RSA暗号システムに素因数分解を解く以外に他の解読法が無い
事が証明され、問題の解法の効率化が望めない以上、解読法はより高性能の超並列
演算コンピューターを開発し少しでも計算速度を速めるしか方法が無くなった。RSA暗号
システムの長所である難解な問題に時間を費やす、「時間稼ぎ」によって有用な情報が
無用な情報になってしまう現代の情報戦を逆手に取った暗号技術と言える。

(*1)
米国標準技術局NIST(National Institute of Standards and Technology)が連邦政府の
標準暗号として採用、制定した。



■[暗号化システムの崩壊]
有史以来人間の意志伝達には時として秘匿性が必要とされ、個人間の情報はもとより
国家の情報は、その存亡に関わる事となると、暗号化技術もそれに伴い発達してきた。
同時に暗号解読法も研究され、今日の様な高度な情報戦にまで到達している。暗号化
技術の開発と解読はイタチごっこの様に果てしなく続くと思われたがRSA暗号方式の
開発で一つの完成をみている。
しかし現在ではRSA暗号方式の安全性は確保されているものの、近い将来この方式の
瓦解が予想されている。開発前夜となった量子コンピューターの登場をもってRSA暗号
方式は終焉する事となる。 RSA暗号方式の現在唯一考えられている解読法は素因数
分解の計算を超高速演算処理で行い且つ現実的な時間で行う事以外ない。
量子コンピューターが開発された暁には、現在のスーパーコンピューターで数億年から
数十億年かかるRSA暗号の素因数分解問題を僅か数秒から数分で解読してしまう。
RSAが拠り所とし依存している素因数分解の安全性が完全に崩壊するのである。
その他にも公開鍵暗号方式の楕円暗号楕円離散対数問題も解読され既存の暗号技術
は全て解読されてしまう事となる。



■[量子暗号化方式]
量子コンピューターの開発によって既存の暗号化技術は無力化されるが、それに替わって
登場するのが、量子コンピューターと同じ物理学理論を用いた量子暗号方式である。
量子暗号方式は、量子力学の原理を応用した暗号化システムと情報伝達システムを統合
した量子暗号通信システムとして開発される。暗号化システムは、共通鍵暗号方式の鍵を
量子暗号化し安全性を保障するハイブリッド方式と公開鍵暗号方式の情報そのものを量子
暗号化し盗聴を不可能にする量子情報化処理方式の二方式が考えられている。
量子暗号方式では、送信した情報を観測(盗聴)しようとするとその情報が変化してしまう
物理的現象と例え盗聴されても情報が変化しているため復元化が行えない事。また観測
(盗聴)する事で情報が変化する為、盗聴した事を確実に知る事が出来る完璧な盗聴防止
システムといえる。数学的な方式では無く、物理学的原理に安全性を依存している為
理論上永久に解読が絶対不可能な、まさに難攻不落の完全な暗号化方式となている。
量子暗号方式が絶対解読不能の暗号方式といわれる所以は、量子力学の摩訶不思議
で神秘的な世界観の力学が適用される為で、その世界観は我々の想像を遥かに超える
物となっている。



■[量子力学と盗聴防止システム]
我々の世界から銀河・宇宙までのマクロの世界の力学を説明している相対性理論と分子
や原子レベルの微細なミクロの世界の力学を説明している量子力学は、現代物理学の
二大支柱となっている。ミクロの世界の力学系量子論では、光子は一個の粒子として同時
に波の性質を持った二重性で粒子を説明しており、また人間が観測する事によって波が
瞬時に収縮し粒子として観測される「波束の収縮」(観測者効果)が起きる。
ここでは、分かりやすいように原子核の周りを周回する電子を使って説明してみます。
上の図の様に原子核の周りを周回する電子の状態は、シュレーディンガーの波動方程
式より理論的に求められるが確率分布としてしか表せない。
その電子の存在確率分布を平面上に一つ一つ点として表したとするならば、それは
あたかも霧や雲の様に広がるような様から電子雲と呼ばれており、電子はこの電子雲の
何処かに確率的に存在しており、人間が光を当てて観測すると電子は一個の粒(粒子)
として観測される。尚、観測した瞬間に波(電子雲)の収縮が起きるので実際に電子雲
を見る事は不可能である。この時の電子の状態は、量子力学的には「重ね合わせ」の
状態にあり、「ある場所にいる状態」と「別の場所にいる状態」が重ね合わさって共存して
いる状態でいる。誤解されやすいのは、電子が「A点とB点に両方同時にいる状態」、
「電子はA点かB点のどちらかにいるのだが、どちらかにいるかは確率的にしか言えない」
とは違う事、「一個のe電子はA点にいる」状態と「同じ一個のe電子がB点にもいる」
状態が共存し重なり合っているのが真の電子の状態で量子力学的「重ね合わせ」の考え
である。量子暗号通信では、観測=盗聴とすると電子雲の情報は観測(盗聴)する事に
よって電子雲が収縮し情報がまったく違った物となるし、観測(盗聴)行為がされた事は
「不確定性原理」により判明し情報の送信を中止する事が可能となっている。



■[不確定性原理による絶対的安全性]
量子論の中でも特に衝撃的だったのが、観測する事によって生じる「あいまいさ」である。
この、不確かさを発見し量子論を確立したのが、ドイツの物理学者ハイゼンベルク(1901
〜1976)だった。 ハイゼンベルクは別の方法でシュレーディンガー波動方程式と同じ物
を確立しており、そこから1927年にミクロの世界の逃れられないあいまいさを説明した不
確定性原理を発表した。不確定性原理とは、ある物質の位置と運動量を観測する時位置
を確定すると運動量は確定できず、運動量を確定すると位置は確定できなくなる。 つまり
ミクロの世界では、物質がその位置にいてどのくらいの速度で運動しているのかを正確に
は測定できない。あいまいさが残る事を意味するものだった。

我々の住むマクロの世界でボールを投げると、ボールの位置と速度は同時に観測可能だ
が、ミクロの世界では、観測対象の物質(電子等)があまりにも極微で光をあてて観測する
と電子は光(光子)の影響を受けて位置と速度を同時には観測できない。「電子の位置」を
観測すると「電子の速度」を確定できない。 光の影響を少なくして観測すると電子をうまく
捉えられず、速度は確定できるが位置を確定できない。 つまりマクロの世界では、ボール
にレーザ(光子)を照射し位置と運動量を測定するがボールの大きさと光子の大きさの差
はあまりにも大きすぎて無視できる値だが、ミクロの世界で電子の位置と運動量を測定
する場合は電子と光子の大きさの値が近すぎて、その影響はとても無視できない。
例えれば、我々の世界のボールに照射するレーザーの光子を仮にボール大並みに拡大
して測定した場合ボールに光子(ボール大並み)が衝突する事になり正確な測定は不可能
である。

量子暗号通信では、この不確定性原理に安全性を依存し拠り所としています。観測行為
その物が量子情報を変化させ、また量子情報を改竄させる事も不可能としています。
これは観測行為の技術上の問題では無く、物理法則の原理の為理論的に盗聴が不可能
となっている事を意味している。



■[量子力学的テレポーテーション]
現在、量子暗号通信に使用する粒子は、他の系の影響を受け易い電子より、独立性が
強い光子がベストだと考えられている。この一個の光子を使ってパラメトリック・ダウン
コンバージョン(Parametric Down Conversion)という作業を経て光子の対を作る。
この作業では、光学的に非線形性質を持つホウ酸バリウム((BaB2O4))の結晶にUV
(紫外線)レーザー光を照射し偏光させると光子は分裂し一対の光子が出来、この一対
の光子は一方の偏光方向が垂直なら片方は必ず水平となる。重要なのは観測するまで
は、どちらが垂直か水平か偏光方向が確定していない事である。
そして、この光子対(双子の光子又はEPRペアとも言う)は、運命をともにし分かち合う
不思議で神秘的な性質を持つ事となる。量子力学では、この光子対の状態を「絡み合い」
(エンタングルド)と呼んでいる。エンタングルド状態にある光子対を観測する前にAという
箱とBという箱にそれぞれ収めてBの箱を地球から1億光年離れた惑星に持って行って
から地球にあるAという箱を観測する思考実験を行う。Aという箱の光子を観測し偏光方向
垂直と観測したとたんに、地球から1億光年離れた惑星に持って行ったBという箱の偏光
方向は水平と確定した。一方の量子的な状態が確定すると、瞬時にもう一方の量子的な
状態も確定する性質がある。アインシュタインの相対性理論では、光(情報)が光速度を
超えない光速度不変の原理(*2)が存在し、観測した瞬間に天文学的距離を離れたBの箱
の中の光子にAの箱の中の光子の情報が瞬時に伝達される事は有り得ないとされていた
が各種実験において、このテレパシーの様な交信が行われている事が証明されると、
エンタングルド状態の光子対の摩訶不思議な空間と時間を超越したテレパシーを「量子
相関」と呼ばれ、特に天文学的距離において瞬時に交信(テレパシー)する事を量子力学
では「非局所的長距離相関」と呼ばれる。量子暗号通信では、この「絡み合い」を利用して
あたかも情報を瞬時にテレポーテーションさせる手法が使用される。

(*2)量子相関は1982年にフランスの物理学者アスぺによって遠隔作用のある事が実験
によって証明されており、量子テレポーテーションは理論上実証された。アインシュタインの
相対性理論(光速度不変の原理)との矛盾は、以下で記述(量子暗号化技術)する古典的
通信手段でやりとりされる情報が光速度を越えないので解消される。
量子力学において研究されている超光速量子通信は、まだ理論体系が確立されておらず
その限界(光速度を越えるか越えないか?)は発見されていないので、遠未来には実現
する可能性はあるものの、現段階では技術的に難しいので、今回は割愛させて頂きます。

■[量子暗号化技術]
量子暗号通信では、1個の光子をパラメトリック・ダウンコンバージョンでエンタングルド
(絡み合い)状態の光子対(双子の光子)AとBを作り出す。量子相関(量子テレパシー)
の関係にある光子Aと光子Bを送信者が光子Aを持ち受信者が光子Bを持つ事となる。
送信者は、送りたい情報(光子C)を光子Aと重ね合わせる作業を行う。
この作業は「ベル測定」と言われ光子Aと光子Cを重ね合わせて測定すると、光子Aと
光子Cが絡み合った状態エンタングルメントな光子が測定できる。このエンタングル状態
の光子はランダムに4パターン有り、その内の1パターンが観測されるはずである。
この測定結果は「ベル状態」と呼ばれ、光子Aの測定結果が光子Bに影響する為、測定を
した瞬間に光子Cの情報が受信者の持つ光子Bにテレポーテーション(瞬間移動)される。
この段階では、送信者だけが「ベル測定」を行っているので、受信者側もベル測定を行
っている事を共有していなければならない。 そこで送信者は、4つのパターンの内どの
パターンになったかを古典的な通信手段(電話・電子メール等)でベル測定の結果(ベル
状態)を受信者に報告し、受信者はその結果をもとに光子Bの補正を行い、光子Cの情報
を復元化する事が出来る。送信した光子Cが直接移動したわけでは無いが、量子力学で
は量子状態が同一の量子は同じものとしている為、あたかも光子Cが瞬間移動した様を
量子テレポーテーションと呼んでいる。

ここで重要なのは、送信者がベル測定を行った瞬間に送信したい情報光子Cが受信者
側の光子Bにテレポーテーションされた事で、盗聴者がこの光子Cの量子情報を盗聴した
瞬間に不確定性原理によって量子情報が壊れて送信者と受信者の光子A・Bにその
影響が現れる事となり、盗聴者の存在を知る事が出来る。盗聴されている事が判明すれ
ば送信者と受信者はベル測定の結果を古典的通信手段で連絡する事を中止する事が
出来る。古典的通信手段を盗聴する事は、現在の技術でも容易だが、ベル測定の結果
を盗聴してもそれは意味のなさない情報で光子Cの情報を盗聴したとは言えない。
量子暗号通信の最大の長所は、光子Cの量子情報がテレポーテーションする事とベル
測定の結果を同時に盗聴する事は不可能な点である。これは、技術的に不可能な事で
は無く量子力学に基づいて理論的に不可能な事を意味している。

仮に同時に光子Cの量子情報と古典的通信手段で交わされたベル測定の結果を入手
したとした場合、光子Cの量子情報を観測(盗聴)した瞬間に観測者効果(波束の収縮)
が起こり不確定性原理において量子情報は変化したものになる。
この変化した光子Xを用いてベル測定の結果を照らし合わせても本来の情報光子Cに
復元化する事は出来ず何ら意味のなさない別の情報となってしまい盗聴に成功したとは
言えない。では、この光子Cの量子情報を複製化(コピー)しベル測定と照らし合わせた
場合はどうなるのか? そもそも複製化する為には、それが何なのか観測しなければ
ならず、その時点で不確定性原理が適用されベル測定の補正作業に至らず、複製化も
不可能である。



■[量子暗号通信]
現在の暗号情報通信技術は安全性が確保されているものの、将来的にはその安全性
は瓦解する事が予想されています。 量子暗号は、その情報通信技術の延長線上の
テクノロジーでは解決不可能とされる情報通信における安全性と信頼性の問題を全て
解決する事が出来る。量子暗号システムのインフラシステム整備の導入は、現段階で
は技術的にも費用対効果面からしてもハードルが非常に高い。しかし高度に安全性と
信頼性が必要とされる外交や軍事面では、メリットが大きく先行して導入される。
初期に導入される量子暗号プロトコルは、共通鍵暗号方式(秘密鍵暗号方式)の暗号
鍵を量子暗号に符号化するもので素因数分解問題と併用するハイブリッド方式が取ら
れる。このハイブリッド方式は2004〜10年頃までに導入され、その後高度に進化した
量子暗号プロトコルが導入される。2010〜30年頃には、高度量子暗号セキュリティー
システムが確立され長距離の拠点間(100km以上)で文字・音声・画像・動画情報を
盗聴されずに通信する事が可能となる。その後、限定的ではあるものの量子通信ネット
ワークシステムが整備される予定となっている。

システムを構築する為には、量子エンタングル転送制御技術(生成と保存)の確立と
超低減衰光ファイバ伝送システム(超低ノイズ・光増幅)の開発と整備、1つの光子を
確実に検出出来る高効率光子検出器と量子の絡み合い状態を補強する量子中継
技術の開発が必須となっている。現在は光ファイバを利用した短長距離間のファイバ
系量子通信技術が研究・開発されており、今後さらに研究が進めば地上と衛星間、
衛星と衛星間を量子転送する自由空間系量子通信技術も開発される。空間系では、
主にレーザーによる量子転送が利用されが、大気中の状態によりコヒーレントが高く、
影響の受け難い波長が0.7μm付近が使用されている。
しかし光子の受けるノイズが高いと情報が壊される為、空間系の量子通信技術は20
〜30年後の開発と見られている。

今後、絶対的安全性が求められる各国の国家機関、情報機関、軍事部門で導入が図
られると見られ、現在通信転送距離約80kmで成功している量子暗号鍵配布方式
QDK(Quantum Key Distribution)が採用される。そして近い将来、絶対的安全性を持
った通信転送技術が確立され、人類の歴史上最も完璧な技術を手にした事となる。







Produced by Mirage






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