量子コンピュータ時代の新しい暗号：耐量子暗号（PQC）の基本をやさしく解説
はじめに：なぜ今、暗号について考える必要があるのか
私たちの日常生活やビジネスにおいて、情報のやり取りはインターネットを通じて行われることが一般的です。オンラインショッピングでのクレジットカード情報の入力、メールでの機密情報の送受信、企業のサーバーへの安全な接続など、あらゆる場面で「暗号技術」が利用され、情報の安全性が守られています。
しかし、近年急速に発展している量子コンピュータは、この情報セキュリティの根幹を揺るがす可能性を秘めています。特に、現在広く使われている一部の暗号方式が、量子コンピュータの登場によって容易に解読されてしまう危険性が指摘されています。このような背景から、「量子コンピュータ時代でも安全な暗号」の研究開発が世界中で進められています。
この記事では、量子コンピュータがなぜ現在の暗号にとって脅威となり得るのか、そして、その脅威から情報を守るための新しい暗号技術である「耐量子暗号（Post-Quantum Cryptography, PQC）」の基本的な考え方について、専門知識がなくても理解できるよう、やさしく解説していきます。
量子コンピュータはなぜ現在の暗号にとって脅威なのか
現在、インターネット上で広く使われている公開鍵暗号方式（例えばRSAやECCなど）は、ある種の「数学的に非常に難しい問題」を解くことができない、という前提に基づいて成り立っています。
例えば、RSA暗号は「大きな数の素因数分解」の難しさを利用しています。非常に大きな二つの素数（1とその数自身でしか割り切れない数）を選び、それらを掛け合わせた非常に大きな数を作ります。元の二つの素数を知っていれば、その大きな数を使って暗号化されたメッセージを復号できます。しかし、掛け合わせた後の大きな数だけを知っていても、元の二つの素数（つまり素因数）を見つけ出すのは、古典コンピュータでは非常に時間がかかる、という性質を利用しているのです。現在のコンピュータでは、この素因数分解に文字通り宇宙の年齢よりも長い時間がかかると言われています。
ここで量子コンピュータが登場します。量子コンピュータは、Shorのアルゴリズムという特別なアルゴリズムを使うことで、この「大きな数の素因数分解」や、他の公開鍵暗号で使われる「離散対数問題」といった数学的に難しい問題を、古典コンピュータよりも圧倒的に高速に解くことができると理論的に示されています。（Shorのアルゴリズムについては、別の記事で詳しく解説していますので、そちらもご参照ください。）
つまり、量子コンピュータが十分に高性能化すれば、現在の公開鍵暗号で守られている情報が、Shorのアルゴリズムによって容易に解読されてしまう可能性があるのです。これが、量子コンピュータが現在の情報セキュリティにとって大きな脅威となる理由です。
耐量子暗号（PQC）とは？ 量子コンピュータでも破られない暗号の考え方
量子コンピュータの脅威に対応するために研究開発されているのが、「耐量子暗号（PQC）」です。PQCは、英語の"Post-Quantum Cryptography"の略で、「ポスト量子暗号」とも呼ばれます。
PQCの基本的な考え方はシンプルです。それは、「量子コンピュータでも効率的に解くことが難しいとされる、別の種類の数学的な困難性に基づいた暗号を設計する」というものです。
現在の公開鍵暗号が素因数分解や離散対数問題といった特定の数学問題の難しさに依存しているのに対し、PQCは、量子コンピュータが登場してもなお解くのが難しいと考えられている、全く異なる種類の数学問題を利用します。これらは、量子コンピュータが得意とするShorのアルゴリズムなどが通用しない種類の問題です。
具体的には、以下のような数学的な問題の難しさを利用したPQCの研究が進められています。
- 格子問題（Lattice-based cryptography）： 多次元空間における点と直線の関係など、特定の幾何学的な問題の難しさに基づいています。
- 符号復号問題（Code-based cryptography）： 誤り訂正符号（通信中のデータのエラーを検出・訂正するための技術）に関連する問題の難しさを利用します。
- 多変数多項式問題（Multivariate polynomial cryptography）： 複数の変数を持つ多項式方程式を解くことの難しさを利用します。
- ハッシュベース問題（Hash-based cryptography）： ハッシュ関数（任意の長さのデータを固定長の短いデータに変換する一方向性の関数）の特定の性質を利用します。
これらの問題は、現時点では最も強力な量子アルゴリズムを使っても、古典コンピュータで解くのと同程度か、それ以上に時間がかかると考えられています。
耐量子暗号の種類と現状
耐量子暗号の研究開発は、世界中で非常に活発に行われています。特に、アメリカ国立標準技術研究所（NIST）が主導するPQC標準化プロジェクトは、国際的な注目を集めています。これは、将来的に世界中で広く利用されるべきPQCアルゴリズムを選定するための取り組みです。
NISTの標準化プロセスでは、世界中から提案された様々なPQCアルゴリズムが、その安全性、効率性、実用性などの観点から評価されています。いくつかのアルゴリズムが最終候補として選ばれ、順次標準化される見込みです。これにより、量子コンピュータ時代に向けて、安全な通信やデータ保護のための技術基盤が整備されようとしています。
耐量子暗号の実用化には、アルゴリズム自体の安全性だけでなく、計算量、必要なメモリ容量、通信量なども考慮する必要があります。また、現在のインターネットインフラやシステムにPQCを導入するための技術的な課題もあります。これらの課題を解決し、円滑に移行を進めることが、今後の重要なステップとなります。
量子コンピュータとセキュリティの今後
量子コンピュータの発展は、暗号技術だけでなく、情報セキュリティ全般に大きな影響を与える可能性があります。一方で、量子技術は「量子暗号通信」のような、現在の技術では実現できない究極的な安全性を備えた通信手段をもたらす可能性も秘めています。
量子コンピュータの計算能力を悪用したサイバー攻撃を防ぐ「耐量子暗号」と、量子力学の原理を用いて盗聴不可能な通信を実現する「量子暗号通信」は、どちらも量子技術に関連するセキュリティ技術ですが、その原理と目的は異なります。PQCは既存のネットワーク上でソフトウェアとして実装可能である点が特徴です。
量子コンピュータ時代における情報セキュリティは、PQCのような新しい暗号技術、量子暗号通信、そして従来のセキュリティ技術を組み合わせた多層的なアプローチが必要になると考えられます。
まとめ
量子コンピュータの登場は、現在の公開鍵暗号に大きな影響を与える可能性があり、将来的な情報セキュリティの課題として認識されています。これに対応するため、量子コンピュータでも効率的に解くことが難しい新しい数学問題に基づいた「耐量子暗号（PQC）」の研究開発が進められています。
PQCは現在、標準化に向けたプロセスが進んでおり、近い将来、広く利用されることが期待されています。量子コンピュータ時代における安全な情報社会を実現するためには、PQCの理解と適切な導入が不可欠です。
量子コンピュータはまだ発展途上の技術ですが、その潜在能力は非常に大きく、情報セキュリティの分野に留まらず、様々な分野に影響を与えます。量子コンピュータの原理だけでなく、このような応用や社会的な影響についても関心を持つことは、将来を見据えた学習において非常に重要であると言えるでしょう。