量子技術とサイバーセキュリティの関係

量子論の基礎と描像

量子鍵配送プロトコルBB84の仕組み

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近年，量子計算，量子通信，量子計測の三つの分野が大きな注目を集めています．この中でもサイバーセキュリティとの関わりが特に重要です．量子計算機は古典計算機では困難な因数分解を高速に処理できるため，RSA暗号のような従来の公開鍵暗号方式に対して深刻な脅威となります．RSA暗号の安全性は「大きな整数の素因数分解が難しい」という前提に基づいていますが，量子計算機が実用化されればこの前提が崩れる可能性があります．

一方で，量子通信は量子力学の基本原理に基づき，情報理論的に安全な通信を可能にします．従来の暗号方式が計算量の難しさに依存していたのに対し，量子通信は自然法則そのものを基盤に安全性を保証します．この点が，量子技術がサイバーセキュリティの枠組みを根本から変革し得る理由です．

量子論の基礎と描像

量子論における物理量や物理状態は，時間発展を通じて異なる表現で記述されます．代表的なのがHeisenberg描像とSchrodinger描像です．Heisenberg描像では物理量が時間とともに変化し，Schrodinger描像では物理状態が時間発展します．両者は数学的に等価であり，いずれを採用しても確率分布として得られる測定値は同じです．この考え方により，量子通信で用いられる光子の状態変化や測定の理論的基盤が理解できます．

量子論では，抽象的な数式で表される量子状態が，測定によって具体的な値に変わります．例えば，光子の偏光状態は複数の可能性を重ね合わせた形で存在しますが，測定すると特定の結果が得られます．この特徴が，量子通信の安全性を支える基本原理です．

量子鍵配送プロトコルBB84の仕組み

1984年にBennettとBrassardによって提案されたBB84プロトコルは，量子通信における代表的な技術です．この方式では，送信者Aliceと受信者Bobが光子の偏光状態を利用して共通鍵を生成します．手順は以下の通りです．

1. Aliceはランダムに0と1のビット列を生成し，偏光状態に符号化してBobに送信する
2. BobはランダムにH-V基底またはD-A基底を選んで受信し測定する
3. 公開通信路を用いて，AliceとBobは送信基底と受信基底の一致を確認する
4. 基底が一致しなかったビットは破棄する
5. 基底が一致したビット列を生鍵とし，必要に応じて後処理を行い最終的な秘密鍵とする

この過程において，もし第三者が盗聴を試みれば，量子状態に対する測定の影響により必ず痕跡が残ります．したがって，盗聴の存在を検出することが可能です．平均するとAliceが送信した光子数の半分程度が生鍵として利用可能であり，通信路の安全性が保証されます．

耐量子暗号と量子通信の位置づけ

量子計算機による暗号解読の脅威に対しては二つのアプローチがあります．一つは古典的な計算資源で解読が困難な耐量子暗号の研究です．もう一つはBB84のように量子力学の原理に基づいて安全性を確保する量子通信です．前者は既存インフラへの適用性が高く，後者は物理的原理に依存した絶対的な安全性を志向します．サイバーセキュリティの将来像を考える上で，これら両者の役割を理解することが重要です． 〈著：ZEPマガジン〉

著者紹介

• 樋田 啓
• 2013年 東京大学大学院 総合文化研究科 広域科学専攻 相関基礎科学系 博士課程修了
• 学生時代から現在まで，人力飛行機の電子装備の設計・製作・運用を行う

著書

1. PSoCを使用したプロトン磁力計，トランジスタ技術2009年1月号，CQ出版社．
2. 舞いあがれ人力飛行機（連載） Interface 2023年2月号～2024年5月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［VOD/KIT］ RTKポータブル・センチメートル測位キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. LiDAR×RTK×IMUフュージョン！自動運転＆SLAMロボット開発 要点100，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］SLAMロボット付き！ROSプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. "［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/Pi KIT］ラズパイ×Pythonで動かして学ぶモータ制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD/KIT］ラズベリー・パイで学ぶエッジAIプログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．