量子アニーリングマシンを使ってPQCを突破することってできないの？

質問

量子アニーリングマシンを使ってPQCを突破することってできないの？

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解答

結論からいうと、現時点では量子アニーリングマシンを使ってPQC（耐量子計算機暗号）を突破する、というのは基本的にできません。 そして重要なのは、 「量子コンピュータなら何でも暗号を破れる」わけではない という点です。 そもそも量子アニーリングとPQCは相性が違う 量子コンピュータには大きく、 量子ゲート方式 │ ├─ Shorのアルゴリズム └─ Groverのアルゴリズム 量子アニーリング方式 │ └─ 組合せ最適化など という違いがあります。 現在PQCが特に警戒しているのは、量子ゲート方式の量子コンピュータです。 例えばRSAやECCについては、 Shorのアルゴリズムを十分大規模な量子ゲート型コンピュータで実行できれば破れる というのがPQC移行の大きな理由です。 量子アニーリングは何をしている？ 量子アニーリングはざっくりいうと、 非常に複雑な組合せ問題の「良い解」を量子的な物理過程を利用して探索する ものです。 例えば、 Aを選ぶ？Bを選ぶ？Cを選ぶ？Dを選ぶ？ という組合せが大量にある問題を、 最もエネルギーが低い状態 ↓最適解 として探すような発想です。 そのため、 スケジューリング 組合せ最適化 経路探索 ポートフォリオ最適化 などが代表的な用途です。 「暗号鍵を総当たりすればいいのでは？」 ここで少し可能性が出てきます。 例えばAES-128の鍵を探す問題を、 「正しい鍵なら暗号文を復号したとき意味のある平文になる」 という最適化問題に変換できるなら、 量子アニーリングで鍵探索を高速化できないか？ という研究は当然考えられます。 ただし、これは 「PQCを突破する決定的な方法」 にはなっていません。 そもそもPQCはこういう攻撃を想定している PQCは、 量子コンピュータでも効率的に解けることが分かっていない数学問題 を利用します。 例えば代表的なものが格子問題です。 非常に巨大な格子 ↓特定の条件を満たすベクトルを探す ↓非常に難しい この種の問題について、 Shorのアルゴリズムのような「指数的な高速化」が知られていない ことが重要です。 量子アニーリングなら格子問題を解けるのでは？ ここが研究上面白いところです。 格子問題や暗号解読問題の一部を、 暗号問題 ↓最適化問題 ↓QUBO ↓量子アニーリング に変換して解こうとする研究はあります。 しかし、 「QUBOに変換できる」＝「効率的に解ける」 ではありません。 巨大な問題をQUBOに変換すると、 変数数が膨大になる 制約を表現するための補助変数が必要になる 埋め込みが難しくなる 量子ビット間の接続制約が問題になる 解が本当に最適か確認する必要がある などの問題が出てきます。 むしろ現在の量子アニーリング機には大きな制約がある 例えばD-Waveのような量子アニーリングマシンを考えても、 「巨大な暗号問題をそのまま投入して解読」 とはいきません。 現実には、 暗号問題 ↓数学的な変換 ↓最適化問題 ↓QUBO化 ↓量子マシンに埋め込み ↓多数回サンプリング ↓結果を検証 という工程が必要です。 しかも、問題サイズが大きくなるほど厳しくなります。 ではPQCは「量子アニーリングには強い」と言える？ 単純にそう断言するのも少し違います。 PQCの安全性評価では、特定の量子コンピュータ方式だけでなく、 既知の古典・量子アルゴリズムに対して十分な計算量が必要 という観点で評価します。 そのため、 「量子アニーリングなら絶対安全」 ではありません。 新しいアルゴリズムが発見されれば話は変わります。 RSA/ECCとの違いを見ると分かりやすい RSA/ECCの場合、 古典コンピュータ ↓難しい量子ゲートコンピュータ ↓Shor ↓効率的に解ける という非常に強力な攻撃が知られています。 だからPQCへ移行します。 一方、PQCでは、 古典コンピュータ ↓難しい量子ゲートコンピュータ ↓今のところ効率的な攻撃は知られていない量子アニーリング ↓今のところ暗号を実用的に突破する方法はない という状態です。 そして「量子アニーリング＝量子版総当たり」でもない ここも重要です。 量子アニーリングは、 すべての候補を並列に調べて正解を一瞬で見つける装置 ではありません。 よくある「量子コンピュータなら全部の組合せを同時に計算できる」という説明はかなり誤解を招きます。 量子アニーリングの場合は特に、 問題をエネルギー最小化問題として表現し、その低エネルギー状態を探索する というものです。 したがって、暗号鍵探索に使ったからといって、鍵空間が単純に 2^256↓256 になるような魔法が起きるわけではありません。 ではPQCを本当に脅かすのは何？ 現状最も重要なのは、 十分大規模で誤り訂正された量子ゲート型コンピュータ です。 そして、 Shor系アルゴリズム Grover系アルゴリズム その他の新しい量子アルゴリズム などが問題になります。 特にPQCでは、「量子コンピュータがいつ実用化されるか」だけでなく、「新しいアルゴリズムが発見される可能性」も含めて安全性を考える必要があります。 なので、 「量子アニーリングマシンでPQCを突破できないの？」 への答えは、 「研究対象にはなり得るが、現在の量子アニーリング技術でPQCを実用的に破ることはできない。PQCが主に想定している脅威は、ShorやGroverを実行できる大規模な量子ゲート型コンピュータ」 となります。

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