Cryptographyの歴史

by TANAAKK
in Security Checklist, Technology
on 2025-03-17

Cryptography（暗号技術）の歴史は、人類の歴史とともに古くから存在しています。以下に時代ごとの主な流れを整理します。

1. 古代（紀元前〜紀元後）

シーザー暗号（紀元前1世紀頃）
- 古代ローマのユリウス・カエサルが使用した単純な置換暗号。アルファベットを一定数ずらす方式。
スキュタレー暗号（紀元前5世紀頃）
- 古代ギリシアで使用された棒に革紐を巻いて書き込む暗号方式。

2. 中世～近世（5世紀〜18世紀）

頻度分析の誕生（9世紀）
- アラブの学者アル・キンディが開発した手法で、頻繁に出現する文字を解析し暗号を解読する技術。
ヴィジュネル暗号（16世紀）
- フランス人のブレーズ・ド・ヴィジュネルが発明した多表式暗号。19世紀末まで「解読不能」と信じられていた。

3. 近代（19世紀〜20世紀前半）

エニグマ暗号機（第二次世界大戦）
- ドイツ軍が使用したローター式暗号機。イギリスのアラン・チューリングらが解読し、現代のコンピュータ誕生にも影響を与えた。
ワンタイムパッド（1917年）
- 理論的に絶対解読不能とされる暗号方式。鍵が平文と同じ長さで、完全にランダムな場合のみ安全性が保証される。

4. 現代（20世紀後半〜現在）

公開鍵暗号方式（1976年）
- DiffieとHellmanにより提唱された、公開鍵と秘密鍵を用いた方式。デジタル署名やインターネットのセキュリティ基盤となった。
RSA暗号（1977年）
- Rivest, Shamir, Adlemanにより発明された公開鍵暗号。素因数分解の難しさを利用。
AES（2001年）
- Advanced Encryption Standardとして米国政府が標準化した対称鍵暗号方式。今日広く使用されている。

5. 次世代（量子時代）

量子暗号（Quantum Cryptography）
- 量子力学を利用した通信手法で、傍受が物理的に検出可能。現在実用化に向けて研究が進む。

Cryptography（暗号技術）は、**Complexity（計算複雑性）**という学問的基盤のもとで、「利便性」と「安全性」のトレードオフ（trade-off）の中で進化してきています。

🔑 利便性 vs 安全性のトレードオフとは？

利便性（Convenience）
- 高速な計算処理や少ないリソースでの暗号化・復号化
- 利用者にとって簡単で直感的な仕組み（パスワードの短縮化、認証の簡略化など）
安全性（Security）
- 暗号の解読に必要な計算量を増やし、不正アクセスや攻撃を極力防ぐ
- 複雑で長い鍵や強力な暗号アルゴリズムを採用することで、攻撃者が解読できる可能性を極限まで抑える

この2つは一般的に相反する関係にあります。
つまり、安全性を高めようとすれば、どうしても計算コストや手間が増加し、利便性が低下します。一方、利便性を求めれば、安全性が低下する可能性があります。

📚 具体例（歴史的視点から）

時代	暗号方式	利便性	安全性	備考
古代	シーザー暗号	◎ 極めて簡単	✗ すぐ解読可能	利便性のみ重視
中世	ヴィジュネル暗号	◯ 比較的容易	△ 頻度分析で解読可能	一定の安全性を確保
近代	エニグマ暗号機	△ 専用機械が必要	◯ 当時は強力だったが解読された	戦時中のトレードオフ
現代	RSA暗号・AES暗号	◯ コンピュータなら現実的な速さ	◎ 現代技術でもほぼ解読不可能	現在のバランス点
次世代	量子暗号（QKD Quantum Key Distribution）	✗ 特殊な装置やインフラが必要	◎ 原理的に極めて安全	高度な安全性に偏る

🚧 Complexity理論と暗号技術の関係

暗号技術は、**計算複雑性理論（Complexity theory）**の一分野として以下のように理解できます。

Complexity理論の視点
- 「効率的に解ける問題」と「効率的には解けない問題」を区別します。
- 暗号理論は意図的に「効率的には解けない問題」を設計に取り入れることで安全性を担保します。
具体例
- RSA暗号は「大きな整数の素因数分解問題」の解くのが難しい（computationally hard）ことを利用しています。
- 楕円曲線暗号は「楕円曲線上の離散対数問題」が効率的に解けないことを前提としています。

📈 現在と今後の展望

現在のCryptographyは、「効率的でありながら安全である」ことをバランスよく追求しています。特にインターネット、IoT、モバイル機器の普及によって、計算リソースが限られた環境での「利便性の確保」はますます重要になっています。

さらに近年では、量子コンピュータの登場を前提とした**耐量子暗号（Post-Quantum Cryptography）**が研究され、安全性を維持しつつ、計算効率の良いアルゴリズムが模索されています。

CryptographyはComplexityの理論をベースに、利便性と安全性のトレードオフの中で発展している分野だと言えます。

QKD（Quantum Key Distribution; 量子鍵配送）**とは、量子力学の原理を利用して、2者間で安全に共通の秘密鍵（暗号鍵）を共有する技術です。

📌 QKDの仕組み（基本原理）

量子力学の以下の性質を活用しています：

量子の重ね合わせ（Superposition）
- 粒子（主に光子）が複数の状態を同時にとれる現象。
量子状態の測定不可避性（Measurement disturbance）
- 量子状態を観測すると必ず状態が変化する（つまり観測行為が検出可能）。
量子の非複製定理（No-cloning theorem）
- 未知の量子状態を完全に複製することは原理的に不可能。

これらの原理から、第三者が鍵を盗み見しようとした場合、その試みは必ず検出可能になります。

📡 QKDの代表的プロトコル

最も有名なプロトコルは：

▶️ BB84プロトコル（Bennett-Brassard 1984）

Charles BennettとGilles Brassardにより1984年に提案された世界初のQKDプロトコル。
量子ビット（量子化された光子）をランダムに直交する偏光状態にエンコードして送信。
第三者が観測を試みると、偏光が変化し受信側で異常が検知されるため、盗聴を確実に発見できる。

▶️ E91プロトコル（Ekert 1991）

Artur Ekertが提案した量子もつれ（entanglement）を用いた方式。
ベルの不等式を利用し、安全性を担保する。

🛡 なぜQKDは安全か？

従来の暗号（RSAなど）は「数学的に難しい問題」に依存するため、量子コンピュータが実用化されると解読される可能性があります。
一方、QKDは量子力学の「物理法則」に基づいているため、理論的に盗聴や解読が不可能です。
- 第三者が盗聴を試みると、その時点で送信情報が乱れ、受信者に通知されます。

🛰 現在の実用化と課題

一部の政府機関・金融機関・通信会社で導入が進んでいます。
中国では、世界初の衛星を使った量子鍵配送の実証実験が成功（「墨子号」プロジェクト）。
日本、米国、欧州もQKDの実用化研究を進めています。

一方で以下のような課題も存在します：

長距離の配送に課題がある（光ファイバーで100km程度で減衰が生じる）。
現在の通信インフラとのコスト面での互換性。
デバイスのコストと複雑性が高く、現時点では大規模展開が難しい。

🚩 従来の暗号との違い（簡単なまとめ）

項目	従来の公開鍵暗号（RSAなど）	QKD（量子鍵配送）
安全性の根拠	数学的な計算困難性	物理学的原理
量子コンピュータへの耐性	✗ 脆弱	◎ 強力
盗聴の検出可能性	✗ 不可能	◎ 可能（即座に検出）
実用化状況	◎ 普及済み	△ 初期段階
コストと利便性	◎ 安価・便利	✗ 高価・制約あり

🚀 将来の展望

QKDは将来的に、政府機関や銀行、重要インフラ、データセンターなどの極めて重要な通信インフラの保護に特化して普及する可能性が高いとされています。
量子インターネット構想の一部としても注目されています。

結論（まとめ）

QKDは量子物理学を基礎とする極めて安全性の高い鍵共有技術であり、量子コンピュータ時代を迎えるにあたり、既存の暗号の限界を克服するための次世代型セキュリティ基盤として期待されています。

Cryptographyの歴史