米イーストテキサスA&M大学研究チームがライトニングネットワーク向け耐量子技術「PQLN」を開発。取得データ量は従来の約4倍から約10倍に増加

米イーストテキサスA&M大学などの研究チームが、ビットコインのライトニングネットワーク向け耐量子暗号技術「PQLN」の開発成果を発表しました。将来の量子コンピューターによる暗号解読リスクに対処するため、ビットコイン本体の仕様を変更せずにノード間通信や決済請求書の認証などを保護する仕組みです。主要ソフトウェア実装を用いた実験では既存ノードとの互換性が確認された一方、データ通信量の増加が実用化に向けた課題として示されています。

ライトニングネットワーク特有の量子脅威とPQLNの役割

ライトニングネットワークは、利用者がビットコインを預け入れる決済チャネルを開設し、送金のたびにブロックチェーンへ取引を記録せずに処理することで迅速な送金を可能にする仕組みです。複数の決済チャネルを経由することで、直接接続していない相手への送金も行えます。

しかし、ネットワークに参加して通信や決済の中継を行うコンピューターであるノード間の通信や、決済情報の認証には楕円曲線暗号が使われています。将来的に高性能な量子コンピューターが登場した場合、この暗号が破られてノードへのなりすましや決済情報の偽造が発生するおそれがあります。さらに、現在の暗号化通信を記録しておき、将来の量子コンピューターで解読する攻撃も想定されています。

研究チームは、ビットコイン本体が耐量子暗号に対応したとしても、ライトニングネットワーク独自の通信や決済の仕組みには別途の対策が必要であると指摘しています。PQLNは、ビットコイン本体の仕様を変更せずにこれらの通信や決済請求書の認証、送金経路情報の保護に耐量子暗号を導入するために開発されました。ただし、決済チャネル内の資金を管理するビットコインの取引自体は保護対象外であり、その保護にはビットコイン本体の耐量子対応が必要となります。

互換性検証の成果と通信量増加の課題

PQLNでは、米国立標準技術研究所（NIST）が2024年8月に標準化した耐量子暗号技術である「ML-DSA」と「ML-KEM」を採用し、従来の暗号技術と組み合わせる方式をとっています。未対応の既存ノードとも通信や決済を継続できる設計となっており、従来方式を許可するか、保護されない接続や決済を拒否するかを設定可能です。ただし、未対応ノードとの通信や未対応ノードを経由する決済自体は耐量子暗号で保護されません。

研究チームは、主要ソフトウェア実装の一つである「ラストライトニング（rust-lightning）」にPQLNを実装し、実験環境で性能と互換性を検証しました。その結果、追加される暗号処理のうち最も時間を要した署名生成でも平均約0.33ミリ秒にとどまりました。また、PQLN対応ノードと従来ノードを組み合わせた12種類のシナリオ検証において、すべてのテストに成功しています。

一方で、実用上の課題として通信量の増加が確認されました。ノードがネットワーク情報を取得する際のデータ量は、耐量子暗号の導入により従来の約10倍となり、より小さな電子署名を用いた場合でも約4倍に増加します。研究チームは、暗号処理の時間よりも通信量の増加が大きな負担になると説明しています。なお、今回の検証はラストライトニングに限定されており、他のソフトウェアとの互換性は確認されていないほか、PQLNは実験段階にあり正式な導入には追加検証や技術仕様の整備が必要とされています。

ポイント

• ビットコインのブロックチェーン外で迅速な決済を行うライトニングネットワークを対象に、初の耐量子暗号技術「PQLN」が設計から実装、評価まで行われた点で注目されます。
• ビットコイン本体の仕様を変更することなく、ノード間通信や決済請求書の認証をNIST標準の耐量子暗号（ML-DSA、ML-KEM）で保護できる設計です。
• ラストライトニングを用いた実験環境において、既存ノードと組み合わせた12種類の互換性テストすべてに成功し、暗号処理速度も平均約0.33ミリ秒と高速であることが示されました。
• ネットワーク情報取得に伴うデータ量が従来の約4倍から約10倍に増大するため、通信負荷の軽減が実装上の課題となります。
• 決済チャネル内の資金管理取引は保護対象外であるため、オフチェーンだけでなくビットコイン本体側の耐量子対応も並行して求められる構造となっています。