ブロックチェーン技術は、今日のデジタル時代における画期的なブレークスルーとして登場し、金融取引からデータセキュリティまですべてを変革しています。 トランザクションを保護および検証するために、ブロックチェーンは複雑な暗号化アルゴリズムに依存しています。 しかし、量子コンピューティングの登場による新たな技術革新が近づくにつれ、現在の暗号規格の耐久性が問われています。

量子コンピューティングは、その比類のない処理能力により、ブロックチェーンセキュリティの基盤として機能する従来の暗号化プロトコルを破る可能性を秘めています。 この迫り来る脅威は、暗号の新時代である耐量子計算機暗号(PQC)の創造を必要としています。 この新しい領域を探求する際には、ブロックチェーン暗号の原理と、量子コンピューティングがデジタルセキュリティの展望をどのように変革できるかを把握することが重要です。

ブロックチェーンにおける暗号の現状、量子コンピューティングの破壊的影響、そして耐量子計算機暗号がデジタルの未来を守る鍵となる可能性について、以下のセクションで見ていきます。

ブロックチェーンにおける暗号化の理解

その完全性とセキュリティを維持するために、現在のデジタルトランザクションとデータセキュリティのバックボーンとして機能するブロックチェーンテクノロジーは、さまざまな暗号化アプローチを採用しています。 これらのアプローチは、対称鍵暗号、非対称鍵暗号、ハッシュ関数の3種類に大別され、それぞれがブロックチェーンエコシステムにおいて異なる役割を果たします。

対称鍵暗号

対称鍵暗号方式では、暗号化と復号化の両方に 1 つの鍵を使用します。 このアプローチは、データ暗号化の有効性でよく知られています。 対称鍵暗号は、迅速かつ効率的な暗号化を提供するという事実にもかかわらず、送信者と受信者の間で鍵を安全に送信することが困難なため、ブロックチェーンではあまり一般的ではありません。 この制約は、信頼性とセキュリティが重要なブロックチェーンのような分散型システムでは重要です。

続きを読む: https://www.gate.io/learn/articles/what-is-symmetric-key-cryptography/305

非対称鍵暗号

非対称キー暗号化は、対称アプローチとは対照的に、暗号化用の公開キーと復号化用の秘密キーの 2 つのキーを使用します。 このアプローチは、多数の当事者間で安全なデータ共有を可能にする可能性があるため、ブロックチェーンアプリケーションでますます一般的に使用されています。 対称鍵アプローチよりも低速ですが、スケーラビリティとセキュリティが優れているため、ビットコイン取引など、当事者間の信頼が不可欠な状況では非常に重要です。

続きを読む: https://www.gate.io/learn/articles/what-are-asymmetrickey-algorithms/32

ハッシュ関数

ハッシュ関数は、鍵を必要としないため、ブロックチェーン技術に不可欠です。 代わりに、プレーンテキストを固定長のハッシュ値に変換し、データの整合性とセキュリティを保証します。 これらの機能は、安全で信頼できるブロックチェーン環境を確立する上で重要です。 これらは、ブロックチェーン内のブロックを接続する上で重要であり、各ブロックが前のブロックに安全かつ不変にリンクされていることを保証します。

ブロックチェーンアプリケーションにおける暗号化の役割

ブロックチェーン暗号は多様であり、各技術はブロックチェーンネットワークの全体的なセキュリティ、信頼性、および機能に貢献する個別の機能を果たします。 ここでは、ブロックチェーンで暗号化が使用される最も一般的な分野をいくつか紹介します。

• デジタル署名: これは、実際の署名と同等のデジタル署名を提供し、認証、整合性、および否認防止を提供します。 これらは、ブロックチェーン上でのトランザクション検証に不可欠です。
• トランザクションセキュリティ:SHA-256などの暗号化アルゴリズムは、暗号通貨に採用されており、安全で信頼性の高いデジタル通貨取引のバックボーンを形成しています。
• スマートコントラクト:スマートコントラクトの実行には暗号原理が利用され、事前に定義された条件に基づいて自律的にアクションを実行し、ブロックチェーントランザクションの効率と信頼性を高めます。
• IDおよびアクセス管理:ブロックチェーンは、暗号化方式を活用してデジタルIDを安全に管理し、データプライバシーと制御されたアクセスのための堅牢なソリューションを提供します。

量子コンピューティングの概要

量子コンピューティングは、通常のコンピューティングとは根本的に異なるコンピューター技術の大きな進歩です。 通常のコンピューターはビット (0 と 1) を使用して情報を処理しますが、量子コンピューターは量子ビットまたは量子ビットを使用します。 量子力学の基本的な考え方である重ね合わせとエンタングルメントの法則により、これらの量子ビットは同時に複数の状態で存在することができます。 これにより、量子コンピューターは、今日の最も強力なスーパーコンピューターの能力を大幅に上回る、驚くべき速度で大量のデータを処理できます。

量子コンピューティングが多くの産業に与える潜在的な影響は、特に複雑な問題解決とデータ処理を必要とする分野では計り知れません。 しかし、その最大の破壊的な可能性は、既存の暗号化アプローチに異議を唱える能力にあります。 暗号化は、通常のコンピューティングでは対処が困難または実行不可能な数学的問題に大きく依存しています。 量子コンピューティングは、その強力な処理能力により、既存の暗号化アプローチを解明する恐れがあり、ブロックチェーン技術を含む複数のシステムに大きなセキュリティリスクをもたらします。

量子コンピューティングによって露呈する脆弱性

出典: https://cybersecurityglossary.com/rivest-shamir-adleman-rsa/

RSA 暗号化の脆弱性

大きな素数を因数分解することの難しさは、広く使用されている公開鍵暗号システムである RSA 暗号化の基礎です。 多くのデジタルセキュリティプロトコルは、この暗号化アプローチに依存しています。 量子コンピューターは、従来のコンピューターよりもはるかに高速にRSA暗号化を解読できます。 ショアのアルゴリズムなど、量子コンピューター専用に作成されたアルゴリズムは、素因数分解の問題を迅速に解決でき、RSA暗号化によって提供されるセキュリティを損ないます。

ECC(楕円曲線暗号)のリスク

大きな素数を因数分解することの難しさは、広く使用されている公開鍵暗号システムであるRSA暗号化の基礎です。 多くのデジタルセキュリティプロトコルは、この暗号化アプローチに依存しています。 量子コンピューターは、従来のコンピューターよりもはるかに高速にRSA暗号化を解読する能力を持っています。 ショアのアルゴリズムなど、量子コンピューター専用に作成されたアルゴリズムは、素因数分解の問題を迅速に解決でき、RSA暗号化によって提供されるセキュリティを損ないます。

ハッシュアルゴリズムと量子コンピューティング

SHA-256 などの暗号化ハッシュ関数は、データの整合性と認証に不可欠です。 これらは、ブロックチェーンを含む幅広い暗号化アプリケーションで広く利用されています。 ハッシュ関数は量子攻撃に対してより耐性があると考えられていますが、完全に免疫があるわけではありません。 グローバーの手法のような衝突攻撃は、理論的には、RSAやECCへの影響ほど劇的ではないものの、ハッシュの入力データを識別するプロセスを高速化する可能性があります。

耐量子計算機暗号(PQC)入門

耐量子計算機暗号(PQC)とは、量子コンピューター攻撃に対して安全であると考えられている暗号アルゴリズムを指します。 量子コンピューティングが進歩するにつれて、デジタル通信とデータの保護に不可欠な従来の暗号化アルゴリズムに大きな脅威をもたらします。 この差し迫った脅威により、量子コンピューターの機能強化に直面しても安全な暗号化システムの作成を目指すPQCの開発が加速しています。

PQCは、暗号(量子鍵配送など)における量子技術の使用ではなく、古典的(非量子的)コンピューターは引き続き実行できるが、量子コンピューターは簡単に解読できないアルゴリズムの開発を伴います。 PQCの重要性は、国家安全保障、金融、個人データ保護など、さまざまな業界で長期的なセキュリティを確保するために不可欠な、将来の量子攻撃から機密データや通信を保護する潜在的な役割に起因しています。

PQCの潜在的な役割

• ブロックチェーン技術の保護:ブロックチェーンがトランザクションとスマートコントラクトを暗号化プロトコルに依存していることを考えると、PQCは継続的なセキュリティに不可欠です。
• 長期的なデータセキュリティの確保:PQCは、現在および将来のデジタル通信を潜在的な量子暗号解読から保護するための道筋を提供します。
• 適応性:目標は、中断を最小限に抑えて既存のインフラストラクチャに統合できるPQCアルゴリズムを開発することです。

NISTの役割とPQCアルゴリズム

米国国立標準技術研究所(NIST)は、PQCアルゴリズムの開発と標準化において非常に重要です。 米国国立標準技術研究所 (NIST) は、量子の脅威を早期に認識し、1 つ以上の耐量子公開鍵暗号アルゴリズムを要請、評価、標準化する手順を開始しました。 目標は、量子攻撃に耐えられるアルゴリズムを開発するだけでなく、効率的で実行しやすいものにすることです。

NIST は、受け取った多くの提出物の中から、さまざまな暗号化アプローチに集中して、さらに評価する 7 つのアルゴリズムを選択しました。 最新のアップデートによると、4種類のアルゴリズムが非常に有望です。

格子ベースの暗号化: これらのアルゴリズムは、高次元格子内の最短または最も近いベクトルを見つけることを含む格子問題に基づいています。 量子コンピュータでも解くのが難しいとされています。 例としては、エラーを伴う学習 (LWE) 問題とそのバリアントが含まれます。

コードベースの暗号化: これらのアルゴリズムは、エラー訂正コードに由来し、一般的な線形コードをデコードする難易度に基づいています。 何十年にもわたって研究されており、量子攻撃に対する耐性で知られています。

多変量多項式暗号: これらのアルゴリズムには、既知の難しい問題である多変量多項式のシステムを解くことが含まれます。 効率が良く、キーのサイズが小さいのが魅力です。

ハッシュベースの暗号化: これには、ハッシュ関数を使用したデジタル署名の作成が含まれます。 これらのアルゴリズムのセキュリティは、衝突攻撃、プリイメージ攻撃、セカンドプリイメージ攻撃に対するハッシュ関数の耐性に起因します。

ブロックチェーンセキュリティとの関連性

既存のブロックチェーンインフラストラクチャとの統合:選択したPQCアルゴリズムは、既存のブロックチェーンシステムと互換性がある必要があり、それらの統合と展開を慎重に検討する必要があります。

ブロックチェーンネットワークの長期的な実行可能性の確保:ブロックチェーン技術が進化し、広く採用されるにつれて、PQCの統合は、量子の脅威に対する回復力を確保する上で重要になります。

パフォーマンスとセキュリティのバランス:多くのブロックチェーンネットワークのリソースの制約を考えると、選択されたPQCアルゴリズムは、計算効率と堅牢なセキュリティのバランスを取る必要があります。

PQCは、量子コンピューティングの脅威から暗号システムを保護するためのプロアクティブな手法です。 米国国立標準技術研究所(NIST)がPQCアルゴリズムの標準化に関与することは、ブロックチェーンを含む多くの技術の将来のセキュリティにとって重要です。これらのアルゴリズムの採用は、ポスト量子の未来におけるブロックチェーンネットワークの長期的なセキュリティと存続性にとって重要です。

ブロックチェーンでのPQCの実装:戦略と課題

量子コンピューティングの到来が近づく中、PQCをブロックチェーンに組み込むことは、長期的なセキュリティを確保するために重要です。 ブロックチェーン技術は、金融取引やID管理など、幅広い用途にますます使用されるようになっているため、これは非常に重要です。 ブロックチェーンの信頼モデルは、その暗号化セキュリティに基づいています。 PQCは、トランザクションとデータが量子の脅威に対して安全であることを保証することで、信頼性を維持するために重要です。

PQC導入における主な課題

• アルゴリズムの選択と標準化:量子攻撃に対して安全で、ブロックチェーンアプリケーションに十分な効率性を備えた適切なPQCアルゴリズムを選択します。
• 既存のシステムとの統合:既存のブロックチェーンシステムを新しいPQCアルゴリズムで更新し、その運用を中断させることは、大きな技術的課題となります。
• パフォーマンスに関する考慮事項: 一般に、PQC アルゴリズムはより多くの計算リソースを必要とします。 ブロックチェーンシステムのパフォーマンスを著しく低下させないようにすることが重要です。
• 鍵の管理と保管:PQCアルゴリズムは鍵のサイズと構造の要件が異なることが多いため、PQCへの移行には鍵の管理と保管方法の変更が含まれる場合があります。

考えられる解決策

• 段階的な導入:PQCを段階的に導入し、完全な導入前のテストと最適化を可能にします。
• ハイブリッド暗号化システム:現在の暗号化方式とPQCアルゴリズムを組み合わせることで、移行期間中のセキュリティとパフォーマンスのバランスをとることができます。
• 暗号化コミュニティとのコラボレーション:暗号化の専門家と緊密に連携して、最新のPQC開発とベストプラクティスを常に把握します。

ブロックチェーンにおけるPQC統合への階層的アプローチ

ハードウェア層

PQCアルゴリズムの計算ニーズに対応するために、ブロックチェーンネットワーク内のノードはハードウェアのアップグレードを必要とする場合があります。 これには、より高速なCPUとより大きなメモリ容量が含まれます。 PQCアルゴリズムをサポートするには、ハードウェア・セキュリティ・モジュール(HSM)などの特殊な暗号化ハードウェアを変更または交換して、安全な鍵の生成、保存、管理を確保する必要があります。

データレイヤー

ブロックチェーンに保存されたデータのPQCへの移行には、耐量子暗号化技術の採用が伴います。 これは、暗号化されたペイロードが大きくなり、その結果、データの保存と処理手順が変更されることを意味する可能性があります。 ハッシュ関数は一般的に量子耐性が高いですが、量子攻撃に対するセキュリティを評価することが重要です。 必要な更新には、ブロックチェーンのデータの整合性が損なわれないようにすることが含まれます。

ネットワーク層

PQCは、トランザクションデータだけでなく、ノード間の通信接続も保護する必要があります。 これには、転送中のデータ暗号化やネットワーク要求認証が含まれるため、新しいプロトコルの開発や現在のプロトコルへのアップグレードが必要になる場合があります。

コンセンサスレイヤー

PQCを有効にするには、ブロックチェーンのコンセンサス方法(プルーフ・オブ・ワークやプルーフ・オブ・ステークなど)を変更する必要がある場合があります。 ブロックを検証してブロックチェーンに追加する方法の変更を実装することで、量子の脅威に直面してもコンセンサスプロセスが改ざんされない状態を維持できます。

インセンティブ レイヤー

PQCの使用は、ブロックチェーンネットワーク参加の計算ダイナミクスを変える可能性があります。 インセンティブを新しいセキュリティプロトコルに合わせるために、マイナーやバリデーターの報酬体系を再評価する必要があるかもしれません。

契約レイヤー

スマートコントラクトは、ブロックチェーンの運用の基本となることが多く、ポスト量子の世界における暗号セキュリティについて検討する必要があります。 PQCアルゴリズムを使用するには、開発者は新しいコントラクトを構築したり、既存のコントラクトを変更したりして、量子攻撃に対して実行の安全性を確保する必要があります。

アプリケーション層

将来の暗号化標準をサポートするには、ウォレットや取引所プラットフォームなどのエンドユーザーアプリケーションやインターフェースを更新する必要があります。 これには、APIが新しいキー形式と暗号化テクノロジーを処理できること、およびユーザーインターフェイスが新しいセキュリティプロセスを通じてユーザーを簡単に導くように構築されていることを確認することが含まれます。

ケーススタディと実際のアプリケーション

耐量子台帳(QRL)

Quantum Resistant Ledger(QRL)は、ポスト量子暗号をブロックチェーン技術に組み込んだ注目すべきリアルタイムプロジェクトです。QRLは、量子コンピューティング攻撃に耐性を持つために特別に開発されたブロックチェーン技術です。 このプロジェクトは、red4secおよびx41 D-sec監査によって検証されたように、ポスト量子コンピューティング手法を使用して絶対的なセキュリティを実現していることで注目に値します。

出典: https://www.theqrl.org/

QRLプロジェクトの主な機能:

• マルチプラットフォームサポート:QRLは、Windows、Mac、Linux用のデスクトップアプリケーション、iOSおよびAndroid用のモバイルアプリ、Webインターフェイスなど、幅広いユーザーインタラクションプラットフォームをサポートしています。
• ハードウェアウォレットのサポート:このプロジェクトは、デジタル資産のセキュリティを向上させるLedger Nano Sなどのハードウェアウォレットをサポートしています。
• オンチェーンメッセージのサポートと公証:QRLは、ブロックチェーンに機能のレイヤーを追加するオンチェーンメッセージのサポートと公証を提供します。
• Keybase IDの統合:この機能により、エコシステム内のユーザー識別とセキュリティが向上します。
• 堅牢な API: QRL は、QRL API、エクスプローラー API、ウォレット API、コマンドライン ツールなど、幅広い API を提供し、開発者やインテグレーターにとって非常にカスタマイズ可能です。

QRLは、現在開発中のスマートコントラクトとプルーフ・オブ・ステーク・コンセンサス方式を実装する予定です。 開発者ハブの創設により、プロジェクトの開発成果が劇的に向上すると予測されています。 この研究は、ブロックチェーン技術が量子耐性特性を含むように拡張され、量子コンピューターの能力が高まる中でセキュリティと寿命を確保する方法を実証しています。 QRLプロジェクトは、将来を見据えた機能豊富なブロックチェーンソリューションとして自らを描いており、ブロックチェーン分野で増大する技術的課題と可能性を予測し、対応することの重要性を強調しています。

グローバルな取り組みとコラボレーション

耐量子セキュリティワーキンググループ(QSWG):このワーキンググループは、耐量子暗号の標準とベストプラクティスを作成するために、トップテクノロジー企業と研究機関によって結成されました。 QSWGは、耐量子暗号技術への移行に伴う困難に対処するためにグローバルに活動しています。

European Quantum Flagship: European Quantum Flagship は、量子技術、特に耐量子暗号ソリューションの進歩に専念する学術、産業界、政府のグループの連合体です。 彼らは、さまざまなテクノロジー、特にブロックチェーンシステムを現在のインフラストラクチャに統合する方法を調査しています。

企業の適応とイノベーション

IBMの耐量子ブロックチェーン:IBMは、量子コンピューティング研究のパイオニアとして、ブロックチェーン・プラットフォーム用の 耐量子暗号ソリューション を作成しています。 彼らの研究は、量子攻撃に耐えながら、効率性と既存のシステムとの互換性を維持できるアルゴリズムの開発を中心としています。

Google の量子コンピューティング研究: Google は 、量子コンピューティング と、それが暗号にもたらす影響について積極的に調査しています。 将来の量子の脅威から身を守るために、ブロックチェーン技術に統合される可能性のある新しい暗号プロトコルを調査しています。

技術の進歩とブレークスルー

耐量子アルゴリズムの開発:さまざまな機関の研究者が、量子コンピューター攻撃に対して有効であると考えられている格子ベースの暗号などの高度な耐量子アルゴリズムに取り組んでいます。 これらのアルゴリズムは、ブロックチェーンネットワークに含める可能性について評価されています。

セクター別ケーススタディ

ヘルスケアブロックチェーンの適応:安全な患者データ管理のためにブロックチェーンを使用している医療機関は、PQCソリューションのテストを開始しています。 これらの組織は、将来の量子コンピューティングの脅威から機密性の高い健康データを保護することに特に懸念を抱いています。

政府サービスとブロックチェーンセキュリティ:世界中のさまざまな政府機関が、長期的なデータセキュリティと整合性を保証するためにPQCを組み込むことを目標に、公共サービス用のブロックチェーンプロジェクトをテストしています。

結論

量子コンピューティングの到来を告げる新しい技術時代の幕開けに近づく中、ブロックチェーン技術への耐量子計算機暗号(PQC)の組み込みが重要な取り組みとして浮上しています。 このエッセイでは、ブロックチェーンの暗号基盤、量子コンピューティングの差し迫った脅威、およびこれらの将来の問題に対してブロックチェーンを強化する上でのPQCの重要な役割について説明しました。

対称鍵暗号から非対称鍵暗号、ハッシュ関数まで、ブロックチェーンで現在使用されている多くの暗号方式の探求により、量子の危険性を理解するためのフレームワークが確立されました。 量子コンピューティングが標準的な暗号プロトコルを破壊する可能性は、量子耐性アルゴリズムへの移行の重要性を強調しています。 PQCの調査は希望の光であり、ポスト量子の世界における安全なブロックチェーン技術への道筋を示しています。

グローバルな取り組みからビジネスのブレークスルーまで、実際のアプリケーションやケーススタディは、セクターを超えてPQCを採用するための協調的な取り組みを示しています。 これらの例は、学問的原則の実践的な応用を示すだけでなく、この変革に伴う困難と学習曲線を強調しています。 耐量子ブロックチェーンへの移行は、ヘルスケアから政府サービスまで、さまざまな業界で勢いを増しています。