量子暗号は本当に信頼できますか？

何千年もの間、人類の最高の心は、情報をpr索好きな目から保護する方法を発明してきましたが、その都度、暗号の秘密を明らかにし、秘密文書を読む方法があります。 世界中の暗号作成者のもう1つの聖杯は量子暗号です。量子暗号では、光子を使用して情報が送信されます。 量子粒子としての光子の基本的な特性は、特性の測定が必然的にその状態を変えるようなものです。 言い換えれば、量子チャネルを介して送信される情報を密かに傍受することは不可能です。 それともまだ可能ですか？

量子暗号の原理

量子オブジェクトを使用して情報を保護するという考え方は、1970年にStephen Wiesnerによって初めて表明されました。 彼は偽造できない量子セキュリティ紙幣のアイデアを思いつきました。 それから多くの時間が経ちましたが、銀行券に量子オブジェクトを配置する方法を考え出す人はいませんでしたが、Wiesnerが数年後にクラスメートのCharles Bennettと共有したアイデアは、量子暗号と呼ばれる情報を保護する方法に変わりました。





ワンタイム量子暗号メモ帳による暗号化



1984年、ベネットは、モントリオール大学のGilles Brassardとともに、量子テクノロジーを使用して暗号化されたメッセージを送信するというWiesnerのアイデアを完成させました。 彼らは、ワンタイム暗号化キーを交換するために量子チャネルを使用することを提案し、そのようなキーの長さはメッセージの長さと等しくなければなりません。 これにより、暗号化されたデータをワンタイム暗号メモ帳モードで転送できます。 この暗号化方法は、数学的に証明された暗号強度を提供します。つまり、クラッカーの無制限の計算機能により、クラッキングに対する耐性があります。



情報を伝達するための量子粒子として光子を使用することにしました。 利用可能な機器（ランプ、レーザーなど）を使用して簡単に取得でき、そのパラメーターは完全に測定可能でした。 しかし、情報の送信には、0と1を取得できるコーディング方法が必要でした。



ゼロと1が異なる信号電位の形式または特定の方向のパルスの形式でエンコードされる従来の電子機器とは異なり、このようなエンコードは量子システムでは不可能です。 光子パラメータが必要であり、生成中に設定でき、必要な信頼度で測定できます。 このパラメーターは分極であることが判明しました。



大幅に簡略化すると、偏光は空間内の光子の方向と見なすことができます。 光子は、0、45、90、135度の角度で偏光できます。 光子を測定することにより、相互に垂直な2つの状態または基底のみを区別できます。

• プラス基底-光子は垂直または水平に偏光します。
• 基底「クロス」-光子は45度または135度の角度で偏光します。

水平光子と45度の角度で偏光した光子を区別することは不可能です。

これらの光子特性は、Charles BennettとGilles Brassardによって開発されたBB84量子鍵配布プロトコルの基礎を形成しました。 適用されると、情報は偏光光子を介して送信され、偏光の方向はゼロまたは1として使用されます。 システムの安全性は、2つの量子量を必要な精度で同時に測定することができないというハイゼンベルグの不確実性原理によって保証されています。 したがって、誰かが送信中にキーを傍受しようとすると、正当なユーザーはそのことを知ることになります。



1991年、Arthur Eckert はE91アルゴリズムを開発しました。 このアルゴリズムでは、2つ以上の光子の量子状態が相互依存する現象である量子エンタングルメントを使用してキーの量子分布が実行されました。 さらに、結合された光子のペアの1つの値が0の場合、2番目の光子は1に確実に等しくなり、その逆も同様です。



量子暗号システムで暗号化キーがどのように生成されるかを見てみましょう。 情報の送信者はアリス、受信者はボブ、イブは会話を盗聴しようとしていると仮定します。



BB84プロトコルに従って、秘密鍵は次のように生成されます。

1. アリスはランダムなビットシーケンスを生成し、光子の対応する偏光を使用してこの情報をエンコードし、ランダムに選択された塩基シーケンス（クロスまたはプラス）を使用してボブに送信します。
2. ボブは、ランダムに選択された基準を使用して、受信した各光子の状態をランダムに測定します。
3. ボブは、各光子について、開いているチャネルを通じて、アリスに光子の状態を測定した基準を伝え、測定結果を秘密にします。
4. アリスはオープンチャネルを介して、ボブにどの測定値が正しいと見なされるかを伝えます。 これらは、送信ベースと測定ベースが一致する場合です。
5. 一致するベースを持つ測定結果はビットに変換され、そこからキーが形成されます。

Eveが秘密鍵を傍受しようとする場合、Eveは光子の偏光を測定する必要があります。 各測定の正しい基礎がわからない場合、Eveは誤ったデータを受け取り、光子の偏光が変化します。 このエラーは、アリスとボブの両方にすぐに通知されます。



量子システムの歪みは、スパイだけでなく通常の干渉によっても発生する可能性があるため、エラーを確実に検出する方法が必要です。 1991年、チャールズベネットは、 量子チャネルを介して送信されるデータの歪みを検出するアルゴリズムを開発しました。 検証のために、すべての送信データは同一のブロックに分割され、送信側と受信側はさまざまな方法でこれらのブロックのパリティを計算し、結果を比較します。

実際の量子暗号システムでは、加入者間の相互作用は光ファイバーを介して発生し、光が光ファイバーに入射すると、偏光は不可逆的に破壊されます。 そのため、後で説明する商用インストールでは、ビットをエンコードする他の方法を使用します。



たとえば、ID Quantique は光の位相を使用してビットをエンコードします。

1. ボブは光パルスを生成します。
2. インパルスは2つの別々のインパルスに分割され、アリスに送信されます。
3. アリスは、受信パルスの1つの位相を遅延してランダムに変更し、ベースの1つを選択します。
4. 偏光の場合と同様に、2つのベースが使用されます。1つ目はゼロ遅延または1/2波長の遅延、2つ目は1/4または3/4波長の遅延です。
5. アリスはインパルスをボブに返します。ボブは最初または2番目の基準からランダムに遅延を選択し、インパルスに干渉します。
6. アリスとボブが同じ基準を選択した場合、パルスの位相は完全に一致するか、位相がずれて出力に0または1が提供されます。
7. 塩基が異なる場合、測定結果は50％のケースで正しいでしょう。

ID Quantiqueが製造したCerberis QKDキー量子配布システム。 量子チャネルの最大範囲は50 km、秘密鍵の伝送速度は1.4 kbit / sです。 写真：ID Quantique。

実用的な実装

1989年、BennettとBrassardは、IBM Research Centerにインストールを構築して、コンセプトをテストしました。 セットアップは量子チャネルで、その一方の端にはアリスの送信装置があり、もう一方の端にはボブの受信装置がありました。 デバイスは、1.5×0.5×0.5 mのサイズの不透明なケースに入れられた約1 mの長さの光学ベンチに置かれ、システムはコンピューターによって制御され、そこに合法的なユーザーと攻撃者のソフトウェア表現がダウンロードされました。



インストールを使用すると、次のことがわかりました。

• 量子情報の送受信は、エアチャネルを介しても可能です。
• 受信機と送信機の間の距離を長くすることの主な問題は、光子の偏光の保存です。
• 伝送秘密の保存は、伝送に使用される閃光の強度に依存します：弱い閃光は傍受を困難にしますが、合法的な受信者のエラーの増加を引き起こします。閃光の輝度を上げると、最初の単一光子を2つに分割して情報を傍受できます。

BennettとBrassardのインストール。 出典：IBM Journal of Research and Development（Volume：48、Issue：1、Jan.2004）



BennettとBrassardの実験の成功により、他の研究チームは量子暗号の分野で活動するようになりました。 エアチャネルから光ファイバーに切り替えたため、すぐに伝送範囲が拡大しました。スイスの企業GAP-Optiqueは、湖の底に沿って敷設された23 kmのファイバーチャネルに基づいてジュネーブとニオンの間に量子チャネルを販売し、その助けを借りて秘密鍵を生成しました1.4％を超えませんでした。



2001年には、単一光子を放出できるレーザーLEDが開発されました。 これにより、偏光光子をより長い距離まで伝送し、伝送速度を上げることができました。 実験中、新しいLED Andrew Shieldsの発明者とTRELとケンブリッジ大学の同僚は、送信中に光子の半分以上が失われましたが、75 kbit / sの速度でキーを送信することができました。



2003年、東芝は量子暗号の研究に参加しました。 同社は2013年10月に最初のシステムを導入し、2014年には34日間、標準の光ファイバを介して量子鍵の安定した伝送を実現できました。 リピーターなしの最大光子伝送距離は100 kmでした。 チャンネルの損失と干渉のレベルは外部条件の影響下で変化する可能性があるため、長期にわたって設備の動作を確認することは重要でした。

量子暗号の問題

量子暗号化システムの最初の実装の制限は、 伝送範囲が狭く 、 速度が非常に遅いことでした。

• Bennett-Brassardシステムの量子チャネルの長さは32 cmで、情報転送速度は10ビット/秒を超えませんでした。
• スイスのGAP-Optique量子通信チャネルは23 kmの長さでしたが、データ転送速度は非常に低く、約1秒あたりのビット単位でした。
• GAP-Optiqueのすぐ後に、三菱電機株式会社は、毎秒1バイトの速度であるにもかかわらず、87 kmの量子キーを送信することにより、量子暗号システムの動作範囲の新記録を樹立しました。

距離の制限は、熱ノイズ、損失、ファイバーの欠陥のために、フォトンが長距離では生き残れないという事実によるものです。 高レベルの干渉は、エラーを修正して最終セッションキーに同意するために、システムが送信を数回繰り返す必要があるという事実につながります。 これにより、伝送速度が大幅に低下します。



この問題を解決するために、量子リピーターが開発されています-量子情報の完全性を損なうことなく復元できるデバイスです。 このようなリピーターを実装する1つの方法は、量子エンタングルメントの効果に基づいています。 しかし、もつれの影響を維持できる最大距離は、現在100 kmに制限されています。 さらに、同じノイズが作用します。有用な信号が失われます。 また、通常の電磁信号とは異なり、光子を増幅または除去することはできません。



2002年に、量子触媒と呼ばれる効果が発見されました。 Alexander Lvovsky率いる研究グループが実施した実験では、光の量子状態のもつれが復元される条件を作成することができました。 実際、科学者は、光ファイバの長い旅のために量子の混乱を失った光子を「混乱させる」ことを学びました。 これにより、伝送速度をわずかに低下させながら、長距離にわたって安定した接続を実現できます。



量子暗号化のもう1つの問題は、 サブスクライバ間の直接接続を作成する必要があることです。これは、この相互作用の方法によってのみ、暗号化キーの安全な配布を編成できるためです。 今日の量子システムのコストは数万ドルから数十万ドルに上るので、商業ソリューションの開発者は、ほとんどの場合光チャネルがアイドル状態であるため、サービスの形で量子鍵配布技術を提供します。



この場合、セッションキーは2つの部分で構成されます。1つ目-マスターキー-は従来の暗号化を使用してクライアントによって形成され、2つ目-クォンタム-は量子キー配布システムによって生成されます。 最後のキーは、これら2つの部分のXORビット演算により取得されます。 したがって、たとえハッカーがクライアントのマスターキーを傍受または解読できたとしても、データは安全なままです。

量子暗号の脆弱性

キーの量子分布はクラッキングに耐えられないものとして位置付けられていますが、そのようなシステムの特定の実装により、攻撃が成功し、生成されたキーが盗まれます。



量子鍵配布プロトコルを使用した暗号システムに対するいくつかのタイプの攻撃を次に示します。 いくつかの攻撃は理論的であり、他の攻撃は実生活で非常にうまく使用されています。

1. ビームスプリッター攻撃 -パルスをスキャンして2つの部分に分割し、2つのベースのいずれかで各部分を分析します。
2. トロイの木馬攻撃には、送信側または受信側の方向に光マルチプレクサを介してパルスをスキャンすることが含まれます。 パルスは、検出の同期のために2つの部分に分割され、デコード回路に入りますが、送信された光子の歪みは発生しません。
3. リレー戦術に基づくコヒーレント攻撃 。 攻撃者は送信者の光子を傍受し、状態を測定してから、測定された状態の疑似光子を受信者に送信します。
4. インコヒーレント攻撃 。送信者の光子が傍受され、送信された単一の光子のグループと混同されます。 次に、グループのステータスが測定され、変更されたデータが受信者に送信されます。
5. Vadim Makarovの研究チームによって開発された、 目をくらませる雪崩光検出器による攻撃により、攻撃者は秘密鍵を取得して、受信者が傍受の事実に気付かないようにすることができます。
6. 光子分離攻撃。 それは、パルス内の複数の光子の検出、そのb致、および破壊との混乱から成ります。 情報の残りの変更されていない部分は受信者に送信され、インターセプターはシフトされたキーにエラーを導入することなく、送信されたビットの正確な値を受信します。
   
   
   
   
   
   スペクトル攻撃。 出所
   
   
7. スペクトル攻撃。 光子が4つの異なるフォトダイオードによって作成される場合、それらは異なるスペクトル特性を持ちます。 攻撃者は、偏光ではなく光子の色を測定できます。
8. 乱数を攻撃します。 送信者が擬似乱数ジェネレータを使用する場合、攻撃者は同じアルゴリズムを使用して、実際のビットシーケンスを取得できます。

たとえば、バディムマカロフとノルウェー自然科学技術大学の同僚グループが開発した受信機の検出器への攻撃を見てみましょう。 キーを取得するために、受信機の検出器はレーザービームで目がくらんでいます。 この時点で、攻撃者は送信者の信号を傍受します。 受信機のブラインド量子検出器は、通常の検出器のように動作し始め、パルスの量子特性に関係なく、明るい光パルスにさらされると「1」を出力します。 その結果、攻撃者は「1」を傍受して、受信者の検出器に光パルスを送信でき、送信者からこの信号を受信したと見なします。 つまり、攻撃者はクォンタムの代わりに古典的な信号を受信者に送信します。つまり、送信者から受け取った情報を気付かれずに盗むことができます。



Makarovのグループは、ID QuantiqueとMagiQ Technologiesが製造した量子暗号システムへの攻撃を実証しました。 ハッキングを成功させるために、商用システムが使用されました。 攻撃の開発には2か月かかりました。

特定された脆弱性は、その重大な性質にもかかわらず、テクノロジー自体に関連するのではなく、特定の実装の特定の機能に関連しています。 このような攻撃の可能性は、受信機の検出器の前に単一光子源を設置し、ランダムにそれを含めることで排除できます。 これにより、検出器が量子モードで動作し、個々の光子に応答することが保証されます。

どれくらいの費用がかかりますか、実際に機能しますか？

実際の機密性が必要な領域に関しては、コスト、距離の制限、伝送速度などほとんど考慮されていません。

軍事、州、および金融部門での量子暗号化の需要により、研究グループは多額の資金を受け取り、開発した産業プラントは販売されるだけでなく、実際に使用されるようになりました。





量子鍵配布システム。 出典：東芝



量子暗号保護の商用システムの最新の例は、1000キロメートル以上の範囲にあり、1国内だけでなく、州間レベルでの安全な通信の組織にも使用できます。



大量生産での量子暗号のインストールの導入は、より安い価格につながります。 さらに、メーカーは、量子暗号の可用性を高め、加入者あたりのコストを削減するために、さまざまなソリューションを開発しています。



たとえば、東芝の量子キー配布システムでは、最大100 kmの距離で2つのポイントのみを接続できます。 しかし同時に、このデバイスは 64人の加入者が同時に量子暗号を使用できるようにします 。



量子暗号には限界がありますが、暗号強度が証明されているため、従来の暗号よりも紛れもない利点があります。 ただし、実践が示すように、実証済みの安定性は理論的なモデル、概念の特性ですが、特定の実装ではありません。 量子鍵配布の特定のシステムに対する開発された攻撃方法は、次の量子暗号の新規性がサードパーティのチャネルに対する攻撃に対して脆弱でないことを保証できないため、この利点を量子暗号から奪います。



一方、量子暗号システムは、真にランダムな秘密鍵を生成できます。 キーを推測した場合にのみ、このキーで暗号化されたデータを復号化できます。 これにより、十分な長さの量子キーを選択することで、長年にわたって情報を保護できます。



量子暗号の技術としての約束を裏付けるいくつかの事実：

• 2017年、中国は量子暗号に基づいた壊れない通信ネットワークの構築を開始しました 。 2017年7月までに、ネットワークには軍事および政府機関、ならびに金融およびエネルギー部門から200人以上の加入者がいました。
• 2017年12月13日に、ロシアの会社InfoTeKS は、 「ViPNet Quantum Phone」を導入しました 。これは、インストールされたViPNetソフトウェアとワークステーションを接続し、量子キー配布を使用してそれらの間のトラフィックを暗号化できるデバイスです。
• 2018年5月、ロシアは、大規模なデータセンターでの使用に適した高速通信回線上の情報の量子および暗号保護システムのテストに成功しました。 テストは、C機器製造会社S-Terra CESPおよびGazprombankから委託されたロシアの量子センターの専門家によって実施されました。
• 2018年9月、東芝は、 10.2 Mbit / sの通常の光ファイバーを介した量子キーの平均月間伝送レートを提供する、実用的な量子暗号システムを実証しました 。

Micius衛星での中国の量子暗号システムの操作スキーム。 ソース：arXiv.org



2018年5月、東芝は Twin-Field QKD（量子鍵配布）と呼ばれる新しい量子鍵配布プロトコルの発明を発表しました。 このプロトコルでは、信頼できるリピーターまたは量子リピーターなしで、1000 kmを超える距離でキーを送信できます。 実験的なインストールでの彼のテストは、2019年に約束されています。



量子暗号の分野で観察されている急速な進歩により、今後10年でこの技術の使用が普及し、実際に標準に変わることは間違いありません。 また、暗号作成者と暗号解読者は、情報保護のための次のラウンドに備える必要があります。



おそらく、次の破壊不可能なフロンティアは、格子理論に基づいた暗号化（格子ベースの暗号化）になります。これは、量子コンピューターには無敵で、弱いプロセッサーを搭載したデバイスでも正常に機能します。 いずれにせよ、さまざまな不可解な保護オプションがエンドユーザーに利益をもたらします。