Research Article

ポスト量子暗号のための効率的な量子アルゴリズム

DOI:

10.3791/68934

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November 14th, 2025

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1Department of Electronics, Acharya Prafulla Chandra College, Kolkata, India, 2MAKAUT, West Bengal, India, 3Department of Computer Science, Acharya Prafulla Chandra College, Kolkata, India, 4Narula Institute of Technology, West Bengal, India, 5Department of Computer Sciences, College of Computer and Information Sciences, Princess Nourah bint Abdulrahman University, Riyadh, Saudi Arabia, 6Department of Physics, College of Sciences, University of Bisha, Bisha, Saudi Arabia, 7Department of Computer Science and Artificial Intelligence, College of Computing and Information Technology, University of Bisha, Bisha, Saudi Arabia

In This Article

Summary

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このプロトコルは、量子フーリエ変換を伴う量子演算を利用して、大きな非対称鍵を持つ効率的な量子暗号のための明示的な量子回路を備えた「コードベースの暗号」の実装を記述します。

Abstract

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量子コンピュータの実現は、社会や世界の安全保障に多大な影響を与える可能性があります。量子暗号、つまり量子コンピューター化された感覚を利用して、従来のコンピューターではアクセスできない数学的問題を解決する機械について、かなりの量の研究が行われてきました。繁栄する第 6 世代の「量子コンピューティング」は、現在確立されている保護とデジタル経済の多くを壊し、脅かす可能性がありますが、暗号化の代替手段を提供する可能性があります。これにより、さまざまなプロセスをより効果的に最適化し、効率を向上させ、より高速な量子力学シミュレーションを可能にして、医薬品や材料の設計を改善することができます。本研究では、大数量子乗算と量子乱数発生器(QRNG)をつなぐことで、ポスト量子暗号アルゴリズムの実装に着目します。量子フーリエ変換(QFT)を用いたコードベースの暗号アプローチは、明示的な量子回路の巨大な非対称鍵を使用して、安全な量子通信システムを確立します。この研究では、「プレーンテキスト」(古典データ)が、量子演算の助けを借りて量子乗算器を使用してQRNGで暗号化されました。その結果、QRNG データを含む結果の量子データは、量子チャネルを介して受信側に送信され、そこで量子分圧器が同じことを復号化します。さらに、各対象コンポーネントのIBM Qiskitシミュレーション結果と、これまでの研究やアルゴリズムとの比較分析から、大量子ビット量子デバイスを検討する場合、提案された量子証明アルゴリズムの堅牢性と信頼性の向上が示唆されています。この研究は、この分野のさらなる発展に貴重な方向性を提供し、ポスト量子暗号における量子コンピューティングの将来の応用への道を開きます。

Introduction

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量子計算は、古典ビットとは根本的に異なる量子ビット (量子ビット) に基づいています。古典的なビットは状態 0 または 1 でのみ存在できますが、量子ビットは 0、1、または両方の状態の任意の線形重ね合わせを同時に表すことができます。この特性により、量子システムは膨大な数の値を順次ではなく並列に格納および処理できます。測定すると、量子ビットは一定の状態に崩壊し、計算結果が得られます。量子処理の固有の並列処理により大幅な高速化が実現し、量子コンピューターが古典システムを数桁上回る可能性があると推定されています。このような進歩は、従来の暗号化技術のセキュリティに深刻な課題をもたらし、量子計算の存在下でも安全であり続ける暗号化手法の開発が必要になります1。

古典的な暗号化は伝統的に安全なコードを作成する技術とみなされており、機密性を確保する中核的なプロセスには、秘密キーを使用して平文のエンコードとデコードが含まれます。歴史的に、暗号化技術は主に軍事通信や安全な外交交流に使用されてきました。通信技術の拡大と正当なユーザー間の安全な情報共有に対する需要の高まりに伴い、暗号化は学術部門と産業部門の両方で研究の中心的な焦点となっています2。

一般に、暗号化プロセスは、(1)....

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Protocol

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この記事では、量子演算と量子高速フーリエ変換13 を利用したアルゴリズムを採用し、暗号文を対称鍵で割ることでメッセージを復号化します。この研究の主な目的は、ランダム鍵を生成し、大規模な乗算アルゴリズムを採用し、IBMQ Environment v1.7.4 で多数の除算を実行することにより、対称鍵ベースの暗号の量子実装を実証することです。 図 1 は、対称キーベースの暗号化を実装するためのエンドツーエンドのプロセスを示しています。対称鍵と暗号文は、量子チャネル を介して ソースデバイス(暗号化が行われる場所)からターゲットデバイス(復号化が行われる場所)に転送されることを前提としています。使用する機器とソフトウェアは 、材料表に記載されています。

1. QuRNG生成 (量子乱数発生器)

大きな対称鍵を生成するための量子回路この回路は、「ハダマール」、「CRZ」、「スワップ」ゲートを使用して、大きな乱数、つまり対称キーを生成します。プレーンテキストの長さが「x」であることを考慮すると、この回路は長さが「2x」の対称キーを生成します。乱数発生器のQRNG回路を

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Results

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上記の回路のすべてのコンポーネント (図 1) は、IBM Qiskit で Python コード (補足ファイル 1-3) を使用して実装され、ローカルおよび IBMQ シミュレーターで実行されています。しかし、既存の量子デバイスには自由に利用できる量子ビットがないため、量子デバイスでは実行できません。すべての主要コンポーネントのローカル・シミュレーターと IBMQ シミュレーターでのヒストグラム出力を以下に示します。

クオーナーグ
回路はシミュレータで複数回実行され、予想されるランダム化された出力が観察されました。以下の図は、QuRNZ 回路の量子ビットの実行の反復ごとに出力がどのように変化するかを示しています。 図11 は、テストのさまざまな反復におけ.......

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Discussion

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提案された量子暗号プロトコルの成功は、量子乱数生成 (QRNG)、量子高速フーリエ変換 (QFFT および QIFFT) を使用した量子演算、量子キーのシャッフルと再シャッフルという 3 つの重要な段階に依存しています。QRNG 段階は、真にランダムな対称キーを生成することにより、セキュリティの基盤を確立します3.制御されたQFFTおよび逆QFFTゲートを使用して実行される算術演算は、正確な暗号化と復号化を保証し、シャッフル回路は量子チャネル13,19を介した送信中に鍵の整合性を維持します。

BB84やE91などの従来の量子鍵配布(QKD)プロトコルと比較して、提案されたアプローチは、鍵の生成、暗号化、復号化を単一の量子回路内に統合する.......

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Disclosures

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著者には利益相反はありません。

Acknowledgements

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この研究は、サウジアラビアのリヤドにあるプリンセス・ヌーラ・ビント・アブドゥルラフマン大学のプリンセス・ヌーラ・ビント・アブドゥルラフマン大学研究者支援プロジェクト(PNURSP2025R755)によって支援されました。著者らは、ファストトラック研究支援プログラムを通じてこの研究を支援してくれたビシャ大学の大学院研究および科学研究学部長に感謝しています。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
GPU A100NVIDIA80G GPU
ibm_brisbaneアイビーエムhttps://quantum.ibm.com/IBMクォンタムイーグルファミリーの超伝導量子コンピュータです。
python3.10Pythonソフトウェア財団https://www.python.org/downloads/release/python-3100/
キスキットアイビーエムhttps://www.ibm.com/quantum/qiskit拡張量子回路、演算子、プリミティブレベルの量子コンピュータを扱うためのオープンソースSDKです。

References

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  1. Quantum cryptography in practice. Elliott, C., Pearson, D., Troxel, G. Proc Conf Appl Technol Archit Protocols Comput Commun, 2003, 227-238 (2003).
  2. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Bennett, C. H., Brassard, G. Proc IEEE Int Conf Comput Syst Signal Process, 1 (1), 175-179 (1984).
  3. Techateerawat, P. A review on quantum cryptography technology. Int Trans J Eng Manage Appl Sci Technol.

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Quantum AlgorithmPost Quantum CryptographyQuantum ComputingQuantum CryptographyQuantum Fourier TransformationQuantum Random Number GeneratorQuantum MultiplicationQuantum CircuitQuantum CommunicationIBM Qiskit

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