【情報処理安全確保支援士試験 令和6年度 秋期 午前2 問5】量子コンピュータ時代を生き抜く！情報セキュリティの切り札「PQC」とは？
こんにちは、aolaniengineerです！
情報処理安全確保支援士やネットワークスペシャリストの資格取得を目指している皆さん、日々の学習お疲れ様です！
今回は、これからの情報セキュリティを語る上で避けては通れない、非常に重要なキーワード「PQC（Post-Quantum Cryptography）」について、一緒に深く掘り下げていきましょう。量子コンピュータの進化が著しい現代において、私たちの情報がどのように守られていくのか、その最前線を見ていきましょう！
情報処理安全確保支援士試験 令和6年度 秋期 午前2 問5
【出典：情報処理安全確保支援士試験 令和6年度 秋期 午前2（一部、加工あり）】
PQC（Post-Quantum Cryptography）はどれか。
ア 量子アニーリングマシンを用いて、回路サイズ、消費電力、処理速度を飛躍的に向上させた実装性能をもつ暗号方式
イ 量子コンピュータを用いて効率的に素因数分解を行うアルゴリズムによって、暗号を解読する技術
ウ 量子コンピュータを用いても解読が困難であり、安全性を保つことができる暗号方式
エ 量子通信路を用いた鍵配送システムを利用し、大容量のデータを高速に送受信する技術
PQCって、一体なに？
まず、PQCとは「Post-Quantum Cryptography」の略で、日本語では「耐量子計算機暗号」と訳されます。
簡単に言うと、現在の私たちが使っている多くの暗号技術（例えば、インターネット通信で使われているSSL/TLSなど）は、素因数分解の困難性や離散対数問題の困難性といった、非常に大きな数字を扱う計算の難しさを安全性の根拠としています。
しかし、もし「量子コンピュータ」という、これまでのコンピュータとは全く異なる原理で動作する、とてつもない計算能力を持つマシンが実用化されたらどうなるでしょうか？
現在の暗号の安全性の根拠となっている数学の問題が、量子コンピュータにとっては簡単に解けてしまう可能性があるのです。そうなると、私たちが当たり前のように使っている暗号が、あっという間に解読されてしまう…そんな恐ろしい未来が待っているかもしれません。
PQCは、このような量子コンピュータが登場しても、解読が非常に困難であるとされている新しい暗号方式のことを指します。つまり、「量子コンピュータ時代」のセキュリティを守るための、まさに切り札となる技術なんです！
なぜ今、PQCが注目されているの？その背景と経緯
PQCがこれほどまでに注目されるようになった背景には、量子コンピュータの研究開発の急速な進展があります。
以前はSFの世界の話だと思われていた量子コンピュータですが、近年ではGoogleやIBMといった巨大IT企業が精力的に研究を進め、少しずつですが実用化に向けて着実に歩を進めています。
特に、量子コンピュータが登場することで、以下のような既存の暗号アルゴリズムが脅威に晒されるとされています。
- 公開鍵暗号方式: RSA、楕円曲線暗号など
- 鍵共有方式: Diffie-Hellman鍵共有など
これらの暗号が破られると、私たちの個人情報、企業の機密情報、国家の安全保障に関わる情報など、あらゆるデジタルデータが危機に瀕することになります。
そこで、量子コンピュータが実用化される前に、量子コンピュータに対しても安全な新しい暗号技術を開発し、現在のシステムを移行していく必要性が強く認識されるようになりました。これが、PQCの研究開発が世界中で加速している主な理由です。
アメリカ国立標準技術研究所（NIST）は、PQC標準化プロジェクトを立ち上げ、世界中から応募された様々なPQCアルゴリズムを評価し、標準化を進めています。これは、来るべき量子コンピュータ時代に備え、世界全体で協調して安全な情報社会を築こうとする取り組みなのです。
PQCの事例ってどんなものがあるの？
NISTの標準化プロセスでは、様々な種類のPQCアルゴリズムが検討されています。いくつか代表的なものを紹介しましょう。
- 格子ベース暗号: 数学的な「格子」という構造の困難性に基づいて安全性を確保する方式です。代表的なものに、Kyber（鍵交換）やDilithium（デジタル署名）などがあります。NISTのPQC標準化プロセスで最終的に選定されたアルゴリズムの多くが、この格子ベース暗号に属しています。
- ハッシュベース署名: ハッシュ関数の特性を利用したデジタル署名方式です。一次利用可能なPQC署名として、SPHINCS+などが選定されています。
- 符号ベース暗号: 誤り訂正符号の理論に基づいて安全性を確保する方式です。McEliece暗号などが有名です。
これらのアルゴリズムは、それぞれ異なる数学的な困難性を利用しており、量子コンピュータによる攻撃に対しても耐性があると考えられています。
PQC導入における課題と対策は？
PQCの導入は、現在の情報セキュリティシステムを根本から変える、非常に大きなプロジェクトとなります。そこにはいくつかの課題が存在します。
＜課題＞
- 鍵サイズや署名サイズの増大: 既存の暗号と比較して、PQCの鍵や署名のサイズが大きくなる傾向があります。これは、通信量やストレージ容量の増加につながる可能性があります。
- 処理速度の低下: 一般的に、PQCアルゴリズムは既存の暗号アルゴリズムよりも計算コストが高く、処理速度が遅くなる可能性があります。特に、多くのトランザクションを処理するシステムではボトルネックとなることも考えられます。
- 移行の複雑さ: 既存のシステムにPQCを導入するには、アプリケーション、OS、ハードウェアなど、多岐にわたる変更が必要になります。これは、非常に時間とコストがかかる作業です。
- 標準化の進展: NISTの標準化プロセスは進んでいますが、まだ最終的な決定に至っていない部分もあります。どのアルゴリズムが最終的に標準となるかを見極める必要があります。
＜対策＞
- ハイブリッドモードの採用: 既存の暗号とPQCを併用する「ハイブリッドモード」は、PQCへの円滑な移行を可能にするための一つの現実的な対策です。これにより、既存のシステムとの互換性を保ちつつ、段階的にPQCを導入できます。
- パフォーマンス最適化の研究開発: PQCアルゴリズムの性能を向上させるための研究開発が活発に進められています。ハードウェアアクセラレーションなども含め、効率的な実装方法の確立が求められます。
- Q-Day（量子コンピュータによる暗号解読が可能になる日）への意識: いつ量子コンピュータが実用化され、現在の暗号が破られる「Q-Day」が来るかは誰にも分かりません。しかし、もし到来すれば、過去に暗号化されたデータも解読される可能性があるため、機密性の高い情報ほど早期のPQC導入が望まれます。
- 人材育成: PQCに関する知識を持つエンジニアの育成が急務です。情報処理安全確保支援士やネットワークスペシャリストを目指す皆さんが、まさにその中心となるべき人材です。
今後の動向は？
NISTによるPQCの標準化プロセスは、いよいよ最終段階に近づいています。選定されたアルゴリズムは、世界中の企業や政府機関で広く採用されていくことになるでしょう。
今後は、これらの標準化されたPQCアルゴリズムを、実際のシステムや製品に組み込んでいくフェーズへと移行していきます。Webブラウザ、メールシステム、VPN、ブロックチェーンなど、私たちの身の回りにある様々なデジタルインフラが、PQCに対応していくことになります。
情報処理安全確保支援士やネットワークスペシャリストを目指す皆さんにとって、PQCはまさに「これから」のセキュリティ技術です。資格取得の学習と並行して、ぜひPQCの最新動向にもアンテナを張っておいてくださいね。
将来的には、PQCが現在の暗号技術に取って代わり、当たり前の技術として利用されるようになるはずです。その時、皆さんがその技術を理解し、適切に活用できる専門家として活躍していることを期待しています！
問題解説
それでは、先ほどの問題について解説していきましょう。
PQC（Post-Quantum Cryptography）はどれか。
ア 量子アニーリングマシンを用いて、回路サイズ、消費電力、処理速度を飛躍的に向上させた実装性能をもつ暗号方式
イ 量子コンピュータを用いて効率的に素因数分解を行うアルゴリズムによって、暗号を解読する技術
ウ 量子コンピュータを用いても解読が困難であり、安全性を保つことができる暗号方式
エ 量子通信路を用いた鍵配送システムを利用し、大容量のデータを高速に送受信する技術
【解説】
この問題は、PQCの定義を正しく理解しているかを問うものです。
- ア: 「量子アニーリングマシンを用いて、回路サイズ、消費電力、処理速度を飛躍的に向上させた実装性能をもつ暗号方式」とありますが、これは量子アニーリングマシンという特定の量子コンピュータの種類に言及しており、PQCの定義としては不適切です。PQCは「量子コンピュータが出現しても破られない」という性質を持つ暗号全般を指します。
- イ: 「量子コンピュータを用いて効率的に素因数分解を行うアルゴリズムによって、暗号を解読する技術」とありますが、これは量子コンピュータが既存の暗号を破る可能性を示す記述であり、PQC（耐量子計算機暗号）そのものではありません。有名なShorのアルゴリズムなどがこれに該当します。
- ウ: 「量子コンピュータを用いても解読が困難であり、安全性を保つことができる暗号方式」とあります。これこそが、まさにPQC（Post-Quantum Cryptography：耐量子計算機暗号）の定義そのものです。量子コンピュータの脅威から情報を守るための新しい暗号技術を指します。
- エ: 「量子通信路を用いた鍵配送システムを利用し、大容量のデータを高速に送受信する技術」とありますが、これは「量子鍵配送（Quantum Key Distribution: QKD）」と呼ばれる技術の説明であり、PQCとは異なります。QKDは量子力学の原理を利用して安全な鍵を共有する技術ですが、PQCは数学的な困難性に基づいて暗号文を安全に保つ技術です。
したがって、正解はウです。
【正解】 ウ
いかがでしたでしょうか？ PQCについて、少しでも理解が深まっていただけたら嬉しいです。
量子コンピュータの進化は、私たちの情報セキュリティに大きな変革をもたらそうとしています。常に最新の情報をキャッチアップし、来るべき時代に備えていきましょうね！
