2024年3月14日
おそらくあなたは毎日、何の意識もせずにそうしているでしょう。クレジットカードを使ってオンラインショッピングをしたり、スマートフォンのアップデートをインストールしたり、同僚に機密ファイルを送信したり。しかし、アカウントがハッキングされないこと、あるいはアップデートがマルウェアではないことを、どうすれば確信できるのでしょうか？
その答えは、毎日何十億もの取引と通信を保護するインターネットセキュリティプロトコルです。現代の暗号化方式は、従来のコンピュータでは解読が困難なアルゴリズムを使用している。最も強力なスーパーコンピューターでさえ、正しいパスキーにたどり着くまでに何百万年も推測を繰り返す可能性がある。
しかし、量子コンピューターと呼ばれる新しい装置を使えば、数分で暗号を解読できる可能性がある。量子力学の特性を利用して前例のない処理能力の向上を実現するこれらのマシンは、科学者が画期的な医薬品を発見したり、高効率バッテリーを設計したりするのに役立つ可能性を秘めている。しかし、犯罪組織や国家支援のハッカーの手に渡れば、デジタルセキュリティの根幹を揺るがしかねない。量子コンピューターはまだ暗号標準を破るほど広く普及していないものの、世界中で防衛力強化に向けた競争が繰り広げられている。
「我々は、世界の商取引にとって真に存亡に関わる脅威に直面している」と、Mastercardの社長兼最高技術責任者であるエド・マクラフリンは述べている。「私たちは、世界中の企業と顧客を守るためのイノベーションをリードしていきたいと考えています。」
そこで2021年、マスターカードは量子セキュリティ・通信プロジェクトを立ち上げ、量子攻撃に耐性のある新たな暗号化手法の開発に着手した。この結果は、エンジニアが脆弱性を特定し、アップグレードをテストする際に、将来のネットワーク設計に直接役立つだろう。
量子コンピュータは、古典コンピュータと同様に、物理現象を利用して情報を1と0の羅列として符号化する。ノートパソコンの場合、物理的な実体は電流であり、それはオフかオン（0または1）のいずれかの状態をとります。量子コンピュータは、特殊な回路や真空チャンバー内で隔離された素粒子である量子ビットを使用する。古典コンピュータの回路と同様に、量子ビットは2つの異なる状態（例えば、電子のスピンの方向や光子の偏光）に限定される。
しかし――ここからが奇妙なところなのですが――量子ビットは重ね合わせの状態になることができ、観測されるまでは両方の状態を同時に占めますが、観測されると単一の結果に収束します。（シュレーディンガーの猫を思い出してください。生きていると同時に死んでいる状態です。）この新たな次元が加わることで、量子コンピュータは問題に対するあらゆる可能な解決策を同時に生み出すことが可能になる。
量子力学は量子ビットに力の増幅効果も与えており、さらに奇妙なことに、量子ビットは量子もつれ状態になることができ、つまり、それらの状態が相関し、常に一致するか、常に反対になるかのどちらかになる。量子もつれ状態にある量子ビットは、どれほど離れていても、変化が生じると瞬時に他の量子ビットにも影響を与え、一方の量子ビットを観測することで、対応する量子ビットの状態を確認できる。
重ね合わせと量子もつれというこの2つの特性により、量子コンピュータは、今日の最先端のスーパーコンピュータが発揮できる能力をはるかに凌駕する、飛躍的なパワーを発揮する。重ね合わせ状態にある量子もつれは、その状態のあらゆる組み合わせを記録するため、量子ビットが1つ増えるごとにデータ容量が2倍になります。2つの量子ビットは4つの値を、3つの量子ビットは8つの値を、そして50個の量子ビットは1京以上の値を格納します。
「従来のデータ処理方法を超えているからこそ、それらはより強力なのです」と、マスターカードでオペレーション、ネットワーク、従業員デジタルエクスペリエンスチームを統括し、量子脅威からネットワークを将来にわたって保護するための同社の取り組みを主導しているジョージ・マダローニは述べています。
「今後15年の間に、これらのコンピューターは世界のサイバーセキュリティインフラの基盤を揺るがす可能性がある。」
この脅威に対抗するため、サイバーセキュリティ専門家は、従来の暗号アルゴリズムを強化することと、量子コンピュータを用いて暗号鍵を生成することという、2つの並行した戦略を試みている。
マダローニ氏と彼のチームは、両方のアプローチを調査した。まず彼らは、量子耐性を持つように設計された新しい暗号化アルゴリズムをテストした。これはポスト量子暗号（PQC）と呼ばれる手法である。Mastercardチームは、この分野で信頼できる専門家と提携し、クラウド上に仮想ネットワークを構築し、プライベートチャネルを介して通信する2つの企業をシミュレーションした。そして、彼らは国立標準技術研究所が潜在的なPQC標準として選定したアルゴリズムで暗号化されたデータを送受信した。
その目的は、NISTが候補となるアルゴリズムを評価するのを支援することだったが、マダローニ氏はそれがジレンマだと認めている。「これらのアルゴリズムがどれほど安全なのかを正確に言うことはできません。なぜなら、それらをテストするための量子コンピューターが広く普及していないからです」と彼は述べています。「しかし、その技術が商業的に利用可能になった途端、手遅れになるだろう。」
さらに詳しく知るため、マスターカードは、この技術を既存のネットワークにどのように統合できるかについても検討した。「既存のハードウェアプラットフォームがソフトウェアアップデートによってPQCをサポートできるかどうかをテストしました。そうすることで、全く新しい機器を設計する必要がなくなるからです」とマダローニ氏は説明する。
長期的な視点から、研究チームは量子鍵配送（QKD）におけるソリューションもテストした。量子鍵配送では、一連の光粒子が暗号鍵を符号化する。鍵は送信者から受信者へ送られる過程で、量子力学の特性によって盗聴者から保護される。量子粒子を観測すると不可逆的に変化するため、ハッカーが光子を読み取ったりコピーしたりしようとすると、受信側でエラーが発生する。
QKDがMastercardの複雑なグローバルネットワークで機能するかどうかを判断するため、チームは量子技術に対応したアーキテクチャのモデルを作成した。それ自体が課題だった。なぜなら、QKDシステムと統合できる機器を製造しているハードウェアベンダーはごくわずかだからだ。
「既成の解決策はない」とマクラフリンは言う。「私たちは自分たちでそれを作り出すしかなかった。」
試験装置のうち2つは実験室内に限定されていた。研究チームは、最先端の量子鍵配送（QKD）発生器と送信機を、Mastercardのネットワークを構成するのと同じ種類の物理的なハードウェアに接続した。その後、システムが実際のメッセージングの流れを模倣する中で、エンジニアたちは各ソリューションのパフォーマンスを測定した。最も高速なソリューションは、毎秒1,831台のデバイスにキーを提供できた。彼らはまた、一時的な障害発生後の各システムの復旧時間を計測した（優勝システムは5分でオンラインに復帰した）。ある実験設定では、チームはハッカーが量子チャネルを傍受している状況をシミュレーションした。受信者は、乱れた量子ビットをエラーとして正しく認識した。
QKDをより長距離でテストするため、エンジニアたちは2つの建物の間に2.5マイル（約4キロメートル）の光ファイバーケーブルを敷設した。次に、州間または大陸間の接続をシミュレートするために、光デバイスを使用して信号を弱めた。キーの到着は以前より遅くなったものの、多くの用途には十分な速さだった。
チームは最終的に、QKDはまだ実用化できる段階ではないと結論付けたものの、最新世代のQKDデバイスは、従来品に比べて信頼性と耐障害性が大幅に向上している。ベンダー各社が同じペースで開発を進めれば、QKDは今後5年以内に実用化される可能性がある。
「私たちはベンダーとリアルタイムでテストを行っています」とマクラフリン氏は述べている。「QKDが業界標準となれば、私たちは他の企業が自社のビジネスデータと顧客を安全に保つための道を開くことになるでしょう。」
