エニグマ (暗号機)

第二次世界大戦中にナチス・ドイツが通信手段の秘匿に広く用いたのが、機械式の暗号生成装置「エニグマ」です。この名称はギリシャ語で「謎」を意味し、その名の通り、長らく連合国にとって最大の課題の一つとなりました。エニグマは単なる機械に留まらず、生成される暗号文そのものも広くこの名で呼ばれることがあります。

開発と普及

エニグマ暗号機は、1918年にドイツの技術者アルトゥール・シェルビウスによって考案された電気機械式の装置です。1925年にはドイツ軍が制式採用し、その後政府機関や国営鉄道などにも導入が進み、最終的に3万台以上が製造・販売されるに至りました。

基本的な構造

エニグマは、手前のキーボード、奥のランプボード（表示盤）、そしてその更に奥に配置された複数のローター（暗号円盤）とリフレクター（反転ローター）を主要な構成要素としています。キーボードの手前にはプラグボードが収められていました。操作は簡単で、キーボードで平文の一文字を入力すると、回路を経てランプボード上の対応する一文字が点灯し、それが暗号文となります。復号も同じ手順で行われました。

暗号化の仕組み（換字とローター回転）

エニグマの暗号方式は、入力された文字を別の文字に置き換える換字式の中でも、特に順変多表式に分類されます。文字が入力されると、内部のローター列を通り、その配線によって文字が変換されます。その後、リフレクターで反射され、再びローター列を逆方向に通過して最終的な暗号文字が出力されます。特筆すべきは、一文字を入力するごとにローターが一定量（通常は一目盛り）回転することです。これにより内部回路、つまり換字表が変化するため、同じ文字を連続して入力しても異なる暗号文字が生成されるのです。複数のローターが連携して回転することで、回路の組み合わせは膨大になり、これはあたかも文字ごとに異なる換字表を使用しているかのような効果を生み出しました。

鍵の概念

エニグマの鍵は、使用するローターの選択とその配置順序、ローターの初期回転位置、そしてプラグボードの配線によって決定されます。ローターの内部配線自体も換字表として機能しますが、これは固定されており、末端ユーザーが変更することは事実上不可能でした。

ローターと多表化

一つのローターは、その配線によって特定の単文字換字表を実現します。ローターが回転することで、この単文字換字表から派生した26種類の異なる換字表を利用できます。しかし、ローター一つだけでは多表の数が限られます。そこで、複数のローターを連結して文字を複数回変換することで、見かけ上の多表数を飛躍的に増加させました。例えば、3つのローターを組み合わせる場合、ローターの順序を変えることでも異なる多表が生成されるため、鍵空間がさらに拡大します。ドイツ軍は使用できるローターの種類を増やしていくことで、鍵の強度を高めようとしました。

反転ローターの影響

リフレクター（反転ローター）の存在は、エニグマに二つの重要な特性を与えました。一つは「反転性（reciprocity）」です。もし平文のAが暗号文のBになるなら、その暗号文のBを再度入力すると平文のAに戻るという性質です。これにより、暗号化と復号に同じ手順と設定が使えるため、機械構造が単純化されました。もう一つは「ある種の不完全性（noncrashing）」です。これは、いかなる文字も自分自身に換字されないという性質です。例えば、エニグマで「A」と打鍵しても、表示盤の「A」が点灯することはありません。この不完全性は、後に連合国による解読の糸口の一つとなりました。特に「クリブ（crib）」と呼ばれる、原文中に含まれていると推測される単語やフレーズを利用した解読手法において、この特性が有効に活用されました。暗号文とクリブを重ね合わせ、同じ位置に同じ文字が現れた場合は、その位置でのクリブ適用を棄却できるのです。

プラグボードの役割

ローターやリフレクターの配線が敵に知られるリスクに対処するため、ドイツ軍はプラグボードを追加しました。これはキーボードとローター列の間に位置し、単文字の入力をローター変換前に別の文字と入れ替える機能（また、出力文字をランプ点灯前に再度入れ替える機能）を持ちます。プラグコードで特定の文字ペア（例: AとJ）を物理的に接続することで、文字が交換されます。プラグボードの配線は鍵の一部となり、その組み合わせ数は膨大で、末端ユーザーが手軽に変更できるため、エニグマの鍵空間を桁違いに増加させました。しかし、頻繁な配線変更は実用的ではなかったため、実際には日ごと（後に8時間ごと）に変更される程度でした。

解読への挑戦（ポーランドの貢献）

エニグマの複雑な暗号も、完全に破られないわけではありませんでした。1930年代、ドイツ軍が3ローター型を運用開始すると、各国がその解読を試みましたが難航します。しかし、1932年、ポーランドの数学者マリアン・レイェフスキらは、フランスの情報機関から得た断片的な情報を基に、ドイツ陸軍型エニグマのローター配線を数学的に解析することに成功しました。彼はローターの回転によって生じる換字パターンの「巡回表記」に着目し、群論を応用してプラグボードの影響を排除する画期的な手法を編み出しました。これにより、ポーランドは初期のエニグマ暗号を読み解けるようになり、レイェフスキらは解読支援機械「ボンバ」や手作業用の「ジガルスキ・シート」を開発して効率化を図りました。

ドイツの強化とポーランドの限界

ドイツ側はこれに対抗し、ローターの種類やプラグボードのプラグ数を増やして暗号強度を高めました。特にプラグボードのプラグ数を10組に増やしたことは、鍵空間を大幅に拡大し、ポーランドが開発した既存のボンバやジガルスキ・シートだけではタイムリーな解読が困難になる状況を生み出しました。第二次世界大戦が迫る中、ポーランドには新たな暗号機に対応するための追加設備を製造する時間も予算も人員も不足していました。

イギリスへの技術移転と解読の本格化

1939年夏、ドイツのポーランド侵攻が目前に迫る中、ポーランド暗号局は解読成果とエニグマのレプリカをイギリスとフランスに提供することを決断しました。この情報を受け取ったイギリスの政府暗号学校（ブレッチリー・パーク）では、数学者アラン・チューリングがポーランドのボンバを改良した電動式の暗号解読機「ボンブ」の設計を進めました。イギリスはさらに、海上での作戦を通じてドイツの暗号機本体や暗号書を入手することで、解読作業を本格化させました。これらの解読作業で得られた情報は「Ultra（ウルトラ）」と呼ばれ、その事実は戦後長らく極秘とされました。解読に関わった多くの人々、特に科学者たちは、その貢献が公にされず、戦後に十分な評価を得られない時期を過ごしました。

解読成功の要因

エニグマの解読は、単一の方法によるものではなく、いくつかの要因が組み合わさることで可能となりました。ポーランドによる数学的な理論解析（学理的解読）、チューリングらの開発したボンブによる機械的な総当たり攻撃（機械による解読）、スパイ活動やUボートなどの捕獲による暗号機や暗号書の入手、暗号操作員の安易な鍵設定などの人間心理の隙を突いた手法、そして無線交信の分析（交信解析）など、多様なアプローチが相互に補完し合いました。これらの要素に加えて、ドイツの脅威に対するポーランドや連合国の強い「モチベーション」もまた、困難な課題に挑み続ける原動力となったのです。

戦後の解読

戦後も一部の暗号文は未解読のままでしたが、2000年代に入ると、インターネットを用いた分散コンピューティングプロジェクトによって、残されていたドイツ海軍のUボートに関する暗号文などが解読され、エニグマの「謎」はさらに深く理解されることとなりました。

もう一度検索