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富士通、量子シミュレータを活用したRSA暗号の安全性評価に成功
[23/01/23]
TOKYO, Jan 23, 2023 - (JCN Newswire) - 当社は、量子コンピュータによる既存暗号解読の懸念に対し、自社開発の39量子ビットの量子コンピュータシミュレータ（以下、量子シミュレータ）を活用し、現在普及しているRSA暗号（注1）の安全性を定量的に評価する実験を2023年1月に実施し、安全性評価に成功しました。
実験では、RSA暗号を解読する量子アルゴリズムであるショアのアルゴリズム（注2）を量子シミュレータ上に実装し、必要なリソースを定量的に評価した結果、現在一般的な鍵長（注3）2,048ビットのRSA暗号の解読には、およそ1万の量子ビットと、およそ2兆2,300億の量子ゲートもの膨大な規模を有する誤り耐性量子コンピュータが必要なことが判明しました。これは、試算すると約104日の間、量子ビットを誤りなく保持する必要があり、現状、このような大規模かつ長時間にわたり安定稼働する量子コンピュータの実現は短期的には困難であることから、RSA暗号がショアのアルゴリズムに対して安全であることが定量的に証明できました。
当社は今後、量子コンピュータが暗号の安全性にもたらす影響を継続的に調査するとともに、2023年度第1四半期までに量子シミュレータを40量子ビットまで拡張するほか、材料分野などでの活用を見据えて、国立研究開発法人理化学研究所（注4）様の協力のもと、2023年度中に64量子ビットの超伝導量子コンピュータの実現を目指します。
当社は、本成果の一部を、2023年1月24日（火曜日）から1月27日（金曜日）まで福岡県北九州市およびオンラインにて開催される「2023年 暗号と情報セキュリティシンポジウム（SCIS2023）」にて発表します。
背景
インターネットにおける標準暗号の一つであるRSA暗号は、データの秘匿性や完全性を保証する技術として、オンラインショッピングにおけるクレジットカード情報の送受信や、SNSにおけるメッセージ交換の際など、世界中で広く利用されています。RSA暗号が鍵として使用する巨大な合成数には素因数分解が困難な特性があり、現在のコンピュータによる素因数分解記録が829ビット（注5）であることから、将来の計算能力の向上などを考慮して、鍵長2,048ビットのRSA暗号の利用が推奨されています。
一方で、理想的な量子コンピュータ（注6）を用いた場合、巨大な合成数であっても容易に素因数分解が可能なことが知られており、長期的にはRSA暗号から耐量子計算機暗号などの代替技術への移行が必要とされています。しかし、2,048ビットの合成数を実際に素因数分解する量子コンピュータについては、実験事例が少ないなどの理由から計算リソースの見積もりが難しく、代替技術への移行時期の明確化も困難でした。
量子シミュレータを用いたRSA暗号の安全性評価について
上記の課題に対し、当社は、2022年9月に開発した39量子ビットの量子シミュレータを用いて、RSA暗号の安全性を確認するため、素因数分解の実験を行いました。
実験では、入力された合成数を素因数分解する量子回路を生成する汎用的なプログラムをショアのアルゴリズムを用いて実装し、量子シミュレータ上において素因数分解の実験を行った結果、9ビットのRSA型合成数（2つの異なる奇素数）であるN=15からN=511までの96個の素因数分解に成功し、汎用的なプログラムが正しい量子回路を生成できることを確認しました。
さらに、上記の汎用的なプログラムを用いて、10ビットから25ビットのいくつかの合成数を素因数分解する量子回路を実際に生成し、その計算リソースから2,048ビット合成数の素因数分解に必要な量子回路の計算リソースを見積もった結果、2,048ビットの合成数を素因数分解するにはおよそ1万量子ビットに加え、ゲート数がおよそ2兆2,300億、深さ（注7）がおよそ1兆8,000億の量子回路が必要なことが判明しました。これは、試算すると約104日の間、量子ビットを誤りなく保持する必要があり、現時点では、これほど大規模かつ長時間にわたり安定稼働する量子コンピュータを短期的に実現することは困難であることから、RSA暗号がショアのアルゴリズムに対して安全であると定量的に証明できました。
なお、本実験では、スーパーコンピュータ「富岳」（注8）のCPU「A64FX」の高速性と当社の大規模並列計算技術を活かした、世界最速レベルの量子コンピュータシミュレータシステムを使用しました。「A64FX」を搭載した512ノードの「FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC FX700」で構成されたクラスタシステムに加え、新規に開発した量子ビットの状態情報の再配置を自動で効率的に実行する技術を使用することで、64ノードで再配置を行わない場合と比較して100倍以上の高速化を達成し、従来16時間を要していたN=253の素因数分解を463秒で実行しました。
本リリースの詳細は下記をご参照ください。
https://pr.fujitsu.com/jp/news/2023/01/23.html
概要： 富士通株式会社
詳細は http://jp.fujitsu.com/ をご覧ください。
Copyright 2023 JCN Newswire. All rights reserved. www.jcnnewswire.com
実験では、RSA暗号を解読する量子アルゴリズムであるショアのアルゴリズム（注2）を量子シミュレータ上に実装し、必要なリソースを定量的に評価した結果、現在一般的な鍵長（注3）2,048ビットのRSA暗号の解読には、およそ1万の量子ビットと、およそ2兆2,300億の量子ゲートもの膨大な規模を有する誤り耐性量子コンピュータが必要なことが判明しました。これは、試算すると約104日の間、量子ビットを誤りなく保持する必要があり、現状、このような大規模かつ長時間にわたり安定稼働する量子コンピュータの実現は短期的には困難であることから、RSA暗号がショアのアルゴリズムに対して安全であることが定量的に証明できました。
当社は今後、量子コンピュータが暗号の安全性にもたらす影響を継続的に調査するとともに、2023年度第1四半期までに量子シミュレータを40量子ビットまで拡張するほか、材料分野などでの活用を見据えて、国立研究開発法人理化学研究所（注4）様の協力のもと、2023年度中に64量子ビットの超伝導量子コンピュータの実現を目指します。
当社は、本成果の一部を、2023年1月24日（火曜日）から1月27日（金曜日）まで福岡県北九州市およびオンラインにて開催される「2023年 暗号と情報セキュリティシンポジウム（SCIS2023）」にて発表します。
背景
インターネットにおける標準暗号の一つであるRSA暗号は、データの秘匿性や完全性を保証する技術として、オンラインショッピングにおけるクレジットカード情報の送受信や、SNSにおけるメッセージ交換の際など、世界中で広く利用されています。RSA暗号が鍵として使用する巨大な合成数には素因数分解が困難な特性があり、現在のコンピュータによる素因数分解記録が829ビット（注5）であることから、将来の計算能力の向上などを考慮して、鍵長2,048ビットのRSA暗号の利用が推奨されています。
一方で、理想的な量子コンピュータ（注6）を用いた場合、巨大な合成数であっても容易に素因数分解が可能なことが知られており、長期的にはRSA暗号から耐量子計算機暗号などの代替技術への移行が必要とされています。しかし、2,048ビットの合成数を実際に素因数分解する量子コンピュータについては、実験事例が少ないなどの理由から計算リソースの見積もりが難しく、代替技術への移行時期の明確化も困難でした。
量子シミュレータを用いたRSA暗号の安全性評価について
上記の課題に対し、当社は、2022年9月に開発した39量子ビットの量子シミュレータを用いて、RSA暗号の安全性を確認するため、素因数分解の実験を行いました。
実験では、入力された合成数を素因数分解する量子回路を生成する汎用的なプログラムをショアのアルゴリズムを用いて実装し、量子シミュレータ上において素因数分解の実験を行った結果、9ビットのRSA型合成数（2つの異なる奇素数）であるN=15からN=511までの96個の素因数分解に成功し、汎用的なプログラムが正しい量子回路を生成できることを確認しました。
さらに、上記の汎用的なプログラムを用いて、10ビットから25ビットのいくつかの合成数を素因数分解する量子回路を実際に生成し、その計算リソースから2,048ビット合成数の素因数分解に必要な量子回路の計算リソースを見積もった結果、2,048ビットの合成数を素因数分解するにはおよそ1万量子ビットに加え、ゲート数がおよそ2兆2,300億、深さ（注7）がおよそ1兆8,000億の量子回路が必要なことが判明しました。これは、試算すると約104日の間、量子ビットを誤りなく保持する必要があり、現時点では、これほど大規模かつ長時間にわたり安定稼働する量子コンピュータを短期的に実現することは困難であることから、RSA暗号がショアのアルゴリズムに対して安全であると定量的に証明できました。
なお、本実験では、スーパーコンピュータ「富岳」（注8）のCPU「A64FX」の高速性と当社の大規模並列計算技術を活かした、世界最速レベルの量子コンピュータシミュレータシステムを使用しました。「A64FX」を搭載した512ノードの「FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC FX700」で構成されたクラスタシステムに加え、新規に開発した量子ビットの状態情報の再配置を自動で効率的に実行する技術を使用することで、64ノードで再配置を行わない場合と比較して100倍以上の高速化を達成し、従来16時間を要していたN=253の素因数分解を463秒で実行しました。
本リリースの詳細は下記をご参照ください。
https://pr.fujitsu.com/jp/news/2023/01/23.html
概要： 富士通株式会社
詳細は http://jp.fujitsu.com/ をご覧ください。
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