量子セキュア通信とは何ですか? （上）：パスワードだと思っているものはパスワードではない

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

暗号化は、暗号化技術を使用して情報のセキュリティを保護し、犯罪者によるアクセスや盗聴を防止する、古くからある進化を続ける分野です。

今日の情報化時代において、暗号化は個人的なコミュニケーション、電子決済、ファイルの暗号化など日常生活において重要な役割を果たすだけでなく、商業秘密、ネットワーク情報セキュリティなどの分野でも重要な役割を果たしています。

コンビネーションロック

（写真提供：veerフォトギャラリー）

暗号化は数千年前の古代文明にまで遡る非常に長い歴史を持ち、人類文明の発展とともにますます成熟してきました。暗号は、私たちの情報セキュリティを忠実に守ってきた沈黙の守護者のようなものだと言えます。

パスワードの独白——みんないつも誤解してるのかな

パスワードについては、誰もがよく知っていると思います。しかし、私たちがよく「パスワード」と呼んでいるものは、実際のパスワードではない可能性があります。

ラップトップと個人データの図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

携帯電話を使用したり、コンピューターにログインしたりするときに、文字列を使用してデバイスのロックを解除することができます。指紋認証、顔認証、音声ロック解除を実行する際には、個人のプライバシー情報を確認するために特定の生体認証情報も使用されます。ただし、上記のシナリオの「パスワード」は実際のパスワードではなく、特定の「コード」または情報にすぎません。

実際のパスワードは機密通信にのみ使用されます。情報の送信者と受信者の元々公開されている情報を特定の方法で処理し、両者だけが理解できる暗号化された情報に変換します。つまり、パスワードは情報伝達の当事者の手元にのみ存在し、犯罪者が通信プロセスを盗聴したとしても、両者の間で伝達される情報を理解することはできません。

機密通信図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

一般的に、情報の送信者と受信者にとって重要なステップは、「暗号化」と「復号化」の 2 つです。ここでの「暗号化」とは、送信者が、本来は秘密にしておく必要がある情報（平文）を、特定のルールに従って変換し、外部に理解できない暗号化された情報（暗号文）を形成することを意味します。 「復号化」はまさにその逆です。このプロセスでは、受信者は暗号文を平文に戻します。

この特定の変換規則は、通常、両者によって事前に伝達される特定のコードです。情報を解錠する鍵のようなものなので、「鍵」とも呼ばれます。情報の送信者と受信者が鍵を持っている限り、暗号化された情報を取得できます。もちろん、鍵が犯罪者に盗まれた場合、暗号システム全体が無効になります。

古典的な暗号 - 思いつかないもの以外は使えないものはない

初期のコード設計と解読は「ランダム」であることが多く、予期せぬ生命の素材から引き出されることもよくありました。例えば、機密情報を送信するための暗号棒、文字の順序を調整するための「シーザー暗号」、文学作品に隠された詩的なコードなどです。

古典的な暗号化は、情報のセキュリティを確保するために特定の暗号化ルールを常に選択する、頭の体操ゲームのようなものだと言えます。

紀元前7世紀頃、古代ギリシャ人は暗号化されたメッセージを送信するための丸い木の棒を発明しました。この非常に初期の暗号化方法は非常に興味深いもので、必要なのは同じ太さの丸い木の棒 2 本だけです。

古代ギリシャで暗号に使われた木の棒、スキュタレー

(画像出典: Wikipedia)

最初のステップでは、送信者は丸い木の棒の周りに長い羊皮紙の帯を巻き付け、送信する情報を羊皮紙に書き込みます。第二段階では、羊皮紙を広げて不規則な文字を形成し、羊皮紙を伝達します。 3 番目のステップでは、受信者が同じ厚さの丸い木の棒を使用して羊皮紙を包み、最初に送信された暗号化された情報を正しく読み取ることができます。

木の棒を使って情報を暗号化および復号化するこの方法は興味深くシンプルですが、漏洩の非常に深刻なリスクも伴います。たとえば、ハッカーがログのサイズを知るだけで、暗号化された情報を密かに継続的に盗むことができます。したがって、この暗号化方法は非常に創造的ですが、それでも非常に単純です。

紀元前 1 世紀後半、ローマ共和国の皇帝カエサルは重要な機密情報を暗号化するために「換字式暗号」方式を使用しました。この置換暗号化方式は、元の暗号化されていない文字（平文）内のすべての文字を英語のアルファベットに従って特定の数だけ前方または後方にシフトし、文字通りの意味を持たない暗号化された情報（暗号文）を生成します。

シーザー暗号「換字暗号化」図

(画像出典: Wikipedia)

たとえば、元のプレーンテキストの単語が「hello world」である場合、各文字をアルファベット順に 7 桁後ろにシフトすると (h→o、e→l、l→s、o→v、w→d、r→y、l→s、d→k)、奇妙な「olssv dvysk」が生成されます。ここで、アルファベットのシフト数が「鍵」となり、この換字式暗号化方式は「シーザー暗号」とも呼ばれます。

オリジナルの木の棒暗号と比較すると、シーザー暗号は技術的に大幅に改善されましたが、それでも解読するのは非常に簡単です。これは、英語のアルファベットには合計 26 ビットがあり、可能なオフセットは 26-1=25 しかないためです。したがって、盗聴者は徹底的な方法を使用して、暗号化された情報を 1 つずつ読み取ろうとすることができます。

さらに、古代中国の頭韻詩や西洋中世の騎士が重要な情報を保護するために使用した詩の暗号など、興味深い暗号化方法が数多くあります。多くの映画やテレビ番組では、断続的な信号コードを使用してさまざまな文字情報を表現するモールス信号が今でも見られます。

現代の暗号 - 考えても理解できない

古典的な暗号は非常に興味深く創造的ですが、2 つの明らかな致命的な欠陥もあります。1 つ目は、盗聴者が常に限られた時間内に正しい復号化方法 (キー) を見つけようとできることです。 2 番目に、暗号化された情報の送信者と受信者は、盗聴者が復号鍵を入手したかどうかを知ることができません。漏洩の可能性を減らすために、キーを定期的に更新することしかできません。

したがって、この古典的な暗号の暗号化方法には漏洩の大きなリスクがあります。暗号化のレベルをさらに向上させたいのであれば、機密情報を保護するために「秘密を盗むのにかかる時間を使い切る」最新の暗号化方式を採用する必要があります。

RSA 図、暗号化、ネットワーク セキュリティ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

たとえば、数学の問題を出します。71×83 は何に等しいでしょうか?

結果の 5893 を計算するのは誰にとっても簡単だと思います。しかし、反対の質問をすると、2 つの整数を掛け合わせると 5893 になる (乗数は 1 にはならない) のですが、可能な掛け算の組み合わせを 1 つ 1 つ確認するには、おそらくかなりの時間がかかるでしょう。

さて、さらに難易度を上げるために、別の数学の問題を出してみよう。1 以外の整数 2 つを掛け合わせると、149284569961 になるのはどれか。

情報を解読するために必要な時間が許容範囲をはるかに超えているため、手動で 1 つずつ計算 (149284569961 = 363017 × 411233) することに誰もが興味を示さなくなったと思います。

大きな数を因数分解するという極めて難しい数学的規則に基づいたこの現代の暗号化システムは、有名なRSA 暗号化システムです。実際、現在では1024 ビットの暗号化キーが広く使用されています。スーパーコンピュータを使って鍵となる結果を一つ一つ検索したとしても、少なくとも数百年はかかるでしょう。

現代の暗号システムの概略図

(画像出典: Wikipedia)

つまり、犯罪者が情報伝送の双方が RSA 暗号化ルールを使用していることを知っていたとしても、限られた時間内にパスワードを解読することはできないため、暗号化された情報はほぼ 100% 安全であることが保証されます。したがって、現代の暗号化は、暗号化された情報のセキュリティを確保するために、主に非常に複雑な数学的処理と計算に基づいています。

結論

情報化・インターネット化の時代において、コミュニケーションはかつてないほど便利になりましたが、同時にリスクも高まっています。情報セキュリティの守護聖人である暗号化は、継続的な進化と革新を伴い、多彩な歩みを経てきました。

しかし、科学技術の急速な発展と計算能力の力強い成長により、現代の暗号が依存する大きな数値問題は徐々にリスクを露呈してきました。特に、量子コンピュータの台頭により、暗号化には前例のない課題が生じています。

量子コンピュータは、現在主流の RSA 暗号化システムを簡単に解読し、現在の安全な通信方法を破壊することが予想されています。この課題に直面して、私たちは緊急に機密通信の新しい方法を見つける必要があります。

でも心配しないでください。次の記事では、新しい機密通信方法を紹介します。一緒にこの課題に取り組み、前進する方法を模索し、より安全なデジタルの未来を創造しましょう。