量子マジックプロトコル

清水 薫  *井元 信之
量子物性研究部

 情報の秘匿にとどまらず、認証・署名なども含めた広い意味での現代暗号の重要性は益々高まっている。しかしながら、これらの現代暗号は、「ある種の数学的な問題を解くためには天文学的な時間が必要になるだろう」という数学的予想を安全性の根拠としており、解読の原理的な不可能性を保証してはいない。それに対して量子暗号は、光子などの情報のキャリア粒子がもっている物理的な性質を巧みに利用してセキュリティ情報処理を行う試みであり、その目的は不確定性原理という自然法則によって暗号の安全性を保証することにある。量子鍵配送プロトコルはそのような試みの中でも最も成功した例であり、離れた二者間での原理的に安全な暗号鍵の生成共有を可能にしている。一方で量子暗号の手法を、鍵配送以外の処理、例えば認証・署名や秘密証拠供託などの所謂マジックプロトコルに拡張することは容易ではなく、幾つかの原理的困難も見出されている。
 このような背景のもと、我々は、「どのような量子マジックプロトコルならば実現可能なのか?」、「達成される安全性に制限をつけた場合でも、量子力学の利用はマジックプロトコルの構築において利点をもたらしうるか?」、という問題意識をもって研究を進めてきた。そして肯定的な結果として、(1)「鍵の繰り返し利用が可能な暗号文伝送」のための量子プロトコル[1],(2)「個別粒子攻撃に対しては安全なビットコミットメント」のための量子プロトコル[2]の構築に成功している。前者は、暗号文に対する盗聴を監視することによって暗号鍵の安全性低下を未然に防ぐ方法である。 後者は、1ビット情報の秘密証拠供託、すなわちビット値自体は秘密にしたまま、しかし既に選択済みであることを確信せしめるに足る証拠を相手に与えるための量子プロトコルであり、個別粒子攻撃と呼ばれる実際的な暗号破りの方法に対しては安全であることが示される。更に従来の類似のプロトコルと比較して、誤り訂正符号を有効に活用できるため、使用する光子の数を格段に減らすことができ、また伝送誤りに対する耐性も高いという特徴をもつ。
 図1はこれらのプロトコルを実現する際に利用する四経路干渉計であり、伝播する光子の経路に関する量子力学的重ね合わせ状態を操作することにより量子通信チャネルを実現できる[1]。 
(* NTTリサーチプロフェッサ、 総合研究大学院大学)

[1] K. Shimizu and N. Imoto, Phys. Rev. A 60 (1999)157, Phys. Rev. A 62 (2000)054303.
[2] K. Shimizu and N. Imoto, Phys. Rev. A 65 (2002) 032324.

図1 量子通信チャネルのための四経路一光子干渉計

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