量子コンピュータなどの発展によって、従来の暗号が将来的に解読されるリスクが現実味を帯びる中、量子暗号はその対抗手段として急速に研究と実用化が進められています。
近年、次世代のサイバーセキュリティ技術として「量子暗号」が大きな注目を集めています。
本記事では、量子暗号の基本的な仕組みや安全性、実用化に向けた課題について解説します。
量子暗号とは
量子暗号とは、「量子力学」という最先端の物理学の原理を使って、通信の安全性を守る暗号技術です。
従来の暗号方式は、複雑な数式や計算を使って安全性を保っていますが、将来的にコンピュータの性能が上がったり、革新的なアルゴリズムが登場したりすると、破られる可能性があります。
しかし、量子暗号では「物理法則そのもの」を安全の根拠にしているため、どんなに計算能力が高いコンピュータでも解読することはできないとされています。特に「量子もつれ」や「観測による状態の変化」といった量子の特性が、通信を守る鍵になります。
代表的な技術としては、以下の2つがあります。
- 量子鍵配送（QKD：Quantum Key Distribution）
- ワンタイムパッド暗号
両者を組み合わせることで、量子暗号は「盗聴されてもすぐに気づける」かつ「絶対に解読されない」という高い安全性を実現します。
量子鍵配送（QKD）
量子暗号の中心的な技術である量子鍵配送（QKD）は、量子力学の性質を利用して、通信相手と暗号鍵を安全にやり取りする仕組みです。
この技術では、「光子」などの量子を使って、暗号に使う鍵の情報を送ります。量子の世界では、「状態を観測するとその状態が変化してしまう」という特徴があります。そのため、第三者が鍵情報を盗み見ようとした場合、その瞬間に量子の状態が変わってしまい、「盗聴の痕跡」が通信に現れます。
このような仕組みにより、送信者と受信者は「盗聴があったかどうか」を検出できます。そして、盗聴されていないと確認された鍵だけを使って通信すれば、非常に高い安全性を保つことができます。
ワンタイムパッド暗号
ワンタイムパッド暗号は、理論上「絶対に解読されない」とされる暗号方式です。この暗号では、完全にランダムな文字列（＝鍵）を使って、暗号化したいデータと1文字ずつ対応させて暗号化します。
たとえば、メッセージが「HELLO」なら、それに対応する長さのランダムな鍵を使って暗号化し、復号時には同じ鍵で元の文字列を復元します。このとき、同じ鍵は一度しか使わない（ワンタイム）ことが重要な条件です。
この仕組みの特徴は、第三者が暗号文を手に入れても、鍵が完全にランダムかつ1回限りである限り、どんな手段を使ってもメッセージを解読できないという点にあります。
ポスト量子暗号との違い
量子暗号と混同されやすい技術に、「ポスト量子暗号（PQC）」があります。
ポスト量子暗号は、量子コンピュータが普及した未来でも安全に使える暗号技術を指します。
現在広く使われている「RSA」や「楕円曲線暗号」などの公開鍵暗号は、将来的に量子コンピュータによって解読されてしまう可能性があります。
PQCは、そうしたリスクに備えて、量子コンピュータでも解読が難しい新しい数学的アルゴリズムを用いた暗号方式で、以下のような方式が含まれます
- 格子暗号：数の並び（格子）に関する難しい計算を利用
- 多変量暗号：複数の変数による方程式を使った方式
- 符号ベース暗号：誤り訂正符号に基づく手法
- ハッシュベース暗号：安全なハッシュ関数を用いた署名方式
一方、量子暗号（QKD）は、物理学である量子力学の性質を使って通信を守る仕組みです。
つまり、ポスト量子暗号は「数学的な工夫によって暗号を強化するアプローチ」であり、量子暗号は「物理的な原理によって通信の安全を担保」するという点で、根本的に異なる技術です。
量子暗号通信の仕組み
量子暗号通信では、量子ビットやBB84プロトコルなどが使用されます。ここでは、量子ビットの性質や、BB84プロトコルの概要、量子暗号通信の流れについて解説します。
量子ビットの性質
量子暗号通信では、「光子」と呼ばれる光の粒を使って情報をやり取りします。このとき情報の最小単位として使われるのが「量子ビット」です。
従来のコンピュータでは、「0」か「1」のいずれかで情報を表す「ビット」を使っています。これに対して量子ビットは、「0」と「1」が同時に存在している状態（重ね合わせ）」を取ることができます。
この不思議な性質によって、より多くの情報を効率的に扱える可能性があり、将来の高速通信や超並列計算に応用されると期待されています。
さらに、量子ビットは「観測されると状態が変わる」という性質を持っています。つまり、もし第三者が通信を盗み見ようとすると、その瞬間に量子の状態が乱れ、盗聴の痕跡が通信データに必ず残ります。この特徴を利用すれば、通信が盗み見られたかどうかを確実に検出できるという点が、量子暗号通信の強みです。
BB84プロトコルとは
「BB84プロトコル」は、1984年に考案された世界で初めての量子鍵配送（QKD）プロトコルです。量子暗号技術の基礎ともいえる仕組みであり、今でも広く使われています。
BB84では、「偏光」という光の振れ方の違いを使って、光子に情報を載せて送ります。たとえば、縦・横・右斜め・左斜めといった偏光の方向を使って「0」や「1」の情報を表現します。
受信側は、ランダムに選んだ偏光の向きで光子を観測するため、すべての情報が正しく受け取れるわけではありません。しかし、あとで送信者と受信者が通信内容の一部を照合することで、盗聴の有無を検出できます。
量子暗号通信の流れ
量子暗号通信では、2つの異なる通信経路が使われます。それが「量子チャネル」と「古典チャネル」です。
まず、量子チャネルは、光子などを使って、暗号に必要な鍵を送る専用の通信経路です。このチャネルでは、量子力学の原理を利用して安全に鍵を配送します。
一方の古典チャネルは、インターネットや電話回線など、私たちが普段使っている従来型の通信手段です。このチャネルを使って、暗号化された実際のデータを送ります。
つまり量子暗号通信は、以下のように役割を分担する仕組みになっています。
「量子チャネル」：暗号鍵だけを送る（とても重要だが少量の情報）
「古典チャネル」：実際のメッセージを送る（大量でも安定）
量子チャネルはとても繊細で、大量のデータを送るのには不向きなため、重い通信は古典チャネルに任せることで、セキュリティと実用性を両立します。
量子暗号の安全性と展望
ここでは、量子暗号が理論的に安全と言われる理由や、今後の展望について解説します。
量子暗号が理論的に安全と言われる理由
私たちが現在使っている暗号技術は、「計算の難しさ」を安全性の根拠にしています。これは、非常に複雑な数式や計算問題を解くのに時間がかかることを利用して、第三者が暗号を解けないようにしている仕組みです。
しかし将来的に「量子コンピュータ」が実用化されると、これらの複雑な計算も一瞬で解かれてしまう可能性があります。
そこで注目されているのが「量子暗号」です。特に重要なのは、量子には「観測すると状態が変化する」という性質があることです。
たとえば、誰かが通信を盗み見ようとすると、その瞬間に量子の状態が変わってしまい、通信に乱れが生じます。これによって、盗聴があったかどうかを確実に検出することができるのです。
このように、量子暗号はコンピュータの性能に関係なく安全性を保てるとされており、「理論上、安全」と言われています。
量子暗号の展望
量子暗号は、今後さまざまな分野での実用化が期待されている最先端の技術です。とくに注目されているのは、金融や医療といった機密性が必要とされる分野です。
たとえば金融業界では、インターネットバンキングや国際送金など、重要な金銭取引をオンラインで安全に行う仕組みが求められています。こうした場面では、通信内容が第三者に盗まれると大きな損害につながるため、量子鍵配送（QKD）を使って盗聴不可能な通信を実現するニーズが高まっています。
また医療分野でも、患者の診療記録や電子カルテなど個人情報が詰まったデータを病院間でやり取りする場面が増えています。最近では遠隔医療も広がっており、通信内容を外部に漏らさないことが強く求められています。そのため、量子暗号による高度なプライバシー保護の導入が検討されています。
量子暗号の課題
量子暗号は安全性の高さから、さまざまな分野での活用が期待されていますが、実用化に向けてはいくつかの課題があります。
実装コストの課題
量子暗号には大きなメリットがある一方で、現時点での最大の課題のひとつが「コストの高さ」です。
量子鍵配送（QKD）を実現するには、非常に精密な光学装置や検出器が必要になります。たとえば、光子の偏光や到着時間を正確に扱うため、特殊なレーザーや高感度のセンサーなどが求められます。こうした装置は高価で、導入や維持に多くの費用がかかるため、一般企業にとってはまだ手が届きにくい状況です。
さらに、量子通信には専用の光ファイバー回線や中継装置などのインフラも必要になります。これらの構築・運用にも大きなコストがかかるため、現段階では国家プロジェクトや大規模な研究機関、金融・防衛などの一部分野に限って導入が進められています。
通信距離と速度の課題
量子暗号では、光子という非常に繊細な粒子を使って暗号鍵を送ります。このとき、光子は物理的に通信回線を通って移動する必要があるため、通信できる距離に限界があります。
現在の技術では、数十kmから長くても100km程度が安定して通信できる距離とされています。それ以上離れた相手と通信したい場合は、量子中継器が必要になります。
さらに、量子通信はとても繊細なため、通信速度が遅くなりやすかったり、安定しなかったりする問題もあります。
普及のための課題
量子暗号を広く使えるようにするためには、現在の通信インフラを大きく見直す必要があります。
今の通信設備は、インターネットや電話回線など古典的な仕組みに最適化されているため、量子暗号に対応していません。
また、技術面だけでなく、国や企業の間で技術を共有する仕組みや、データ保護に関する法律の整備、共通のルール（標準プロトコル）を作ることも大きな課題です。これらが整わないと、国際的に量子暗号を使った安全な通信を行うのは難しくなります。
このように、量子暗号を社会に広く普及させるには、インフラと制度の両面で多くの準備が必要であり、まだしばらく時間がかかると考えられています。
量子暗号を理解し、次世代のセキュリティに備える
量子暗号は、量子力学の原理を活用して盗聴や解読を防ぐ、理論上最も安全とされる通信技術です。その安全性と革新性から、政治・金融・医療といった高度なセキュリティが求められる分野での活用が期待されています。
一方で、実装コストやインフラ整備といった課題も残されており、社会的に普及するにはまだ時間がかかる見込みです。
そのため、現段階では量子暗号について理解を深め、次世代のセキュリティに備えておくことが重要です。