量子鍵配送とポスト量子暗号の融合

ニューヨークに拠点を置くロジウム・グループのリサーチアナリスト、シエル・チー氏によると、少なくとも今のところ、QKDの研究開発には明確なリーダーが1社あるという。「中国は早期の投資と開発により、QKDベースの暗号化技術で優位に立っている可能性が高いが、他国も追い上げている」とチー氏は言う。

2種類の「量子セキュア」技術

こうした多様な暗号化の取り組みの中心にあるのは、QKD とポスト量子暗号 (PQC) システムの違いです。QKD は量子物理学に基づいており、量子もつれ量子ビットは共有情報を非常に安全に保存できるため、情報を暴こうとする試みは必ず検出されると考えられています。ネットワークの両端に量子もつれ光子量子ビットのペアを送信すると、ネットワークを介して送信されるデータ パケットをロックダウンできる物理的に安全な暗号化キーの基礎が提供されます。

通常、量子暗号システムは、エンタングルメントされた光子対をチャープする光子源を中心に構築されます。光子対では、ファイバーの 1 本分を進む光子 A の偏光は、反対方向に進む光子 B の偏光と垂直です。これらの 2 つの光子の受信者は別々に測定を行い、両方の受信者が、これらの光子対によって送信された共有情報を自分だけが持っていることを知ることができます。(そうでなければ、第三者が介入して 1 つまたは両方の光子を最初に測定した場合、繊細な光子の状態は受信者に到達する前に修復不可能なほど変更されていたでしょう。)

「これらの PQC アルゴリズムがいつか破られないと理論的に予測することはできません。」 —ダグ・フィンケ、グローバル・クォンタム・インテリジェンス

回線の反対側にいる 2 人の人が共有するこの共有ビットは、2 人の受信者がさらに多くのエンタングルされた光子を共有することで構築する新進の秘密鍵の 0 または 1 になります。送信者と受信者の間で十分な数の共有秘密 0 と 1 を構築すると、その秘密鍵は、ワンタイム パッドと呼ばれる強力な暗号化方式に使用できるようになります。これにより、メッセージの安全な送信と、意図した受信者だけが確実に受信することが保証されます。

対照的に、ポスト量子暗号 (PQC) は量子物理学ではなく純粋数学に基づいており、次世代の暗号化アルゴリズムは従来のコンピュータで実行できるように設計されている。そして、アルゴリズムの非常に複雑なため、PQC セキュリティ システムは量子コンピュータでも実質的に解読不可能である。そのため、米国国立標準技術研究所 (NIST) は、将来のポスト量子ネットワークと通信を支えるゴールド スタンダード PQC システムを開発している。

ニューヨークに拠点を置くグローバル・クォンタム・インテリジェンスの最高コンテンツ責任者ダグ・フィンケ氏は、後者のアプローチの大きな問題は、PQCが 信じられた (非常に確かな、しかし絶対確実ではない証拠に基づいて) 完全に成長した量子コンピュータによって解読不可能である。言い換えれば、PQC は必ずしも約束されている鉄壁の「量子セキュリティ」を提供できるわけではない。

「これらの PQC アルゴリズムがいつか破られないと理論的に予測することはできません」とフィンケ氏は言います。「一方、QKD については、量子物理学に基づいて QKD ネットワークを破ることはできないという理論的議論があります。」

とはいえ、現実世界の QKD 実装は、サイドチャネル攻撃、デバイスベース攻撃、その他の巧妙な攻撃によってハッキングされる可能性があります。さらに、QKD には量子グレードの光ファイバー ネットワークと機密性の高い量子通信技術への直接アクセスも必要であり、どちらも今日では一般的ではありません。「日常的な用途、つまり携帯電話で Amazon にクレジットカード情報を送信する用途には、QKD は使用しません」とフィンケ氏は言います。

中国の初期のQKDの優位性は低下

チー氏によると、中国が量子技術開発の焦点としてQKDを選んだのは、米国が ない そのように努力を傾けています。」[The] 「特に米国が世界的にPQCの取り組みをリードしていることから、QKDへの戦略的重点は、独自の技術的優位性を確保したいという中国の願望によって推進されている可能性がある」と彼女は言う。

特に、彼女は衛星のアップリンクとダウンリンクを中国の自由空間QKDシステムの基盤として利用する取り組みが強化されていることを指摘している。中国の「量子の父」である潘建偉氏を情報源として挙げ、チー氏は「世界的な量子ネットワークのカバレッジを実現するために、中国は現在中高軌道の量子衛星を開発しており、2026年頃に打ち上げられる予定だ」と述べている。

とはいえ、これまでのすべての QKD システムの制限要因は、各量子ビットを表すために単一の光子に最終的に依存していることです。最も精巧に精製されたレーザーや光ファイバー回線でさえ、個々の光子の脆弱性から逃れることはできません。

QKD 中継器は、単一光子の量子状態を盲目的に複製するが、通過する個々の光子に関する識別情報を漏らさず、つまり中継器が盗聴者によってハッキングされないことを意味するが、現在は存在しない。しかし、フィンケ氏は、少なくとも 5 年から 10 年はかかるものの、そのような技術は実現可能だと述べている。「まだ初期段階であることは間違いありません」と同氏は言う。

「中国は早期の投資と開発によりQKDベースの暗号化で優位に立っている可能性が高いが、他国も追いついている。」 —Ciel Qi、ロジウムグループ

「中国には2,000キロのネットワークがあります」とフィンケ氏は言う。「しかし、それはトラステッドノードと呼ばれるものを使用しています。北京から上海までのネットワークには30台以上あると思います。つまり、100キロごとに、基本的に信号を測定し、それを再生するユニットがあるということです。しかし、トラステッドノードは、軍の基地か、そのような場所に設置する必要があります。誰かがそこに侵入すれば、通信をハッキングされる可能性があります。」

一方、グローバル・クォンタム・インテリジェンスのシニアアドバイザー、サティヤム・プリヤダルシー氏によると、インドは追い上げに努めている。プリヤダルシー氏によると、インドの国家量子ミッションにはQKD通信研究の計画が含まれており、最終的には2,000キロ以上の都市間を結ぶQKDネットワークや、同様に長距離の衛星通信ネットワークを目指しているという。

プリヤダルシ氏は、インド宇宙研究機関を含む政府のQKD研究の取り組みと、ベンガルールに拠点を置くサイバーセキュリティ企業QuNu Labsを含む民間企業による研究開発の両方を指摘する。プリヤダルシ氏によると、たとえばQuNuはQKD用のハブアンドスポークフレームワーク「ChaQra」に取り組んでいるという。スペクトラム また、インドの電気通信省の当局者にもコメントを求めたが、記事執筆時点では返答はなかった。

「QKDとPQCのハイブリッドは、量子安全ネットワークにとって最も可能性の高いソリューションです。」 —Satyam Priyadarshy 氏、グローバル量子インテリジェンス

米国と欧州連合でも、同様の初期段階の取り組みが進行中です。 IEEE スペクトラム欧州電気通信標準化機構（ETSI）、国際標準化機構（ISO）、国際電気標準会議（IEC）、IEEE通信協会の関係者らは、現在QKD技術と形成されつつある新たな標準の両方を推進するために取り組んでいる取り組みとワーキンググループを確認した。

「ETSIは幅広い関連分野の専門家を抱えているという幸運に恵まれているが、やるべきことはまだたくさんある」と、英国にある東芝のケンブリッジ研究所に拠点を置く上級研究科学者で、ETSIのQKD業界標準化グループの議長を務めるマーティン・ワード氏は言う。

この記事のために連絡を取った複数の情報源は、量子コンピューティングが普及した世界では、PQC が最も安全な通信のデフォルト標準になる可能性が高い未来を思い描いていました。しかし、PQC も、ますます強力になる量子アルゴリズムや量子マシンに対しては、潜在的な弱点となる可能性があります。情報源によると、QKD は、PQC だけでは実現できないハイブリッドな安全な通信の可能性を提供できる可能性があります。

「QKDは [theoretical] 情報セキュリティ、PQCはスケーラビリティを実現[ility]「QKDとPQCのハイブリッドは、量子安全ネットワークにとって最も可能性の高いソリューションです」とプリヤダルシ氏は言う。しかし、彼は、現在、ハイブリッドQKD-PQC技術と標準を調査する取り組みは「非常に限られている」と付け加えた。

フィンケ氏は、PQC が依然として優位な世界であっても、QKD が最終的な決定権を持つ可能性があると語る。QKD 技術の開発は、将来の量子インターネットの基盤を提供することにもなると同氏は指摘する。

「QKD は実際には完全な量子ネットワークの 1 つの使用例にすぎないことを理解することが非常に重要です」とフィンケ氏は言います。

「分散型量子コンピューティング、量子データセンター、量子センサーネットワークなど、多くのアプリケーションがあります」とフィンケ氏は付け加えます。「そのため、現在人々が行っている QKD の研究も、他のユースケースのいくつかに同じ技術を活用できるため、非常に役立ちます。」