第二次世界大戦を勝利に導いたコンピュータ

IEEE HistoryArticleComputingHistory of Technology The Computer That Helped Win World War II Colossus cracked Germany’s encrypted communicationsB. Jack Copeland22 Jul 20268 min readB. Jack Copeland is a professor of philosophy at the University of Canterbury, Christchurch, New ZealandOperators Dorothy Du Boisson and Elsie Booker working Colossus, the world’s first large-scale programmable electronic digital computer, at Bletchley Park in England. Geopix/Alamy 1941年の夏の日、イギリスの無線オペレーターがドイツ軍の周波数を傍受していたところ、ヘッドフォンから予期せぬ音を聞きました。後の報告ではそれは「奇妙な新しい音楽」と呼ばれました。暗号化されたメッセージがドイツのEnigmaネットワークを通じて送信される際の、おなじみのモールス信号の「ディット・ディット・ダー」とは異なり、「新しい音楽」は高速で送信されるバイナリテレタイプコードのリズミカルなワブルでした。 ドイツの戦時中の技術者たちは、革新的な新しい暗号化および伝送システムを開発していました。それは、1920年に特許が取得されたEnigmaよりもはるかに進んだものでした。 この複雑な新しい暗号を解読するために、技術者Tommy Flowersは、世界初の大型プログラマブル電子デジタルコンピュータであるColossusを製造しました。Flowersは、以前にイギリスの数学者Alan TuringのためにEnigma関連の暗号解読装置を製造していました。 Colossusは、ロンドンから約80キロ離れたブレッチリーパークにあったイギリスの暗号解読本部に設置されました。部屋ほどの大きさのこの機械は、約1トンもの重さがありました。 このコンピュータはIEEEマイルストーンとして記念されることになっています。記念式典は9月29日にブレッチリーパークで開催される予定です。 ドイツの奇妙な新しい音楽の解読 イギリスのトップ暗号解読者たちは、傍受ステーションで拾われた新しい「音楽」にすぐに飛びつきました。それを暗号化されたテレタイプコードだと特定するのは簡単なことでした。本当の問題は、暗号化機械がどのように機能するかを理解することでした。その製造元は、戦争の終わりに判明しました。ベルリンのエンジニアリング会社C. Lorenzです。 しかし1941年当時、Lorenz機械はイギリスにとってブラックボックスでした。彼らはそれを「Tunny」とコードネームを付けました。これはイギリスのマグロ（tuna fish）という言葉をもじったものです。Enigmaの解読者たちは、ピシーナ（piscine）のコードネーム（Dolphin、Lumpsucker、Porpoiseなど）を使用するという前例を作っていました。 Enigmaには3つか4つの暗号化ホイールがありました。暗号解読者たちは、Tunny機械も暗号化メッセージに回転ホイールのシステムを使用していると推測しました。重要な手がかりは、傍受されたすべてのメッセージが奇妙な特徴を共有していたことでした。各メッセージは、Anton、Bertha、Conrad、Doraを含む12個の一般的なドイツの名前のリストで始まっていました。暗号解読者たちは、Tunnyには12個のホイールがあり、12の名前とその順序が、受信オペレーターにメッセージを解読する前にどの組み合わせでホイールを回転させるべきかを何らかの方法で伝えていると推測しました。 その後、イギリスは驚くべき幸運に恵まれました。ブレッチリーパークの研究部門の責任者であるJohn Tiltmanは、それぞれ約1,200文字の傍受されたメッセージのペアの分析を開始しました。珍しいことに、両方とも同じ名前のシーケンスで始まっていました。2番目のメッセージは、句読点、いくつかの略語、その他の小さな違いがわずかに異なるだけで、最初のメッセージのタイプし直しであることが判明しました。Tiltmanは、教育的な推測と直感の組み合わせを使用して、2つの暗号文を解読することに成功しました。結果として得られた約1,200組の暗号文と平文の文字のペアは、Tunny機械の仕組みを推測するのに十分な情報となりました。 それは、数週間かけてそのペアを熟読した、静かな若い暗号解読者Bill Tutteのおかげでした。ある日、彼は控えめに上司にTunnyがどのように機能するかを発表しました。彼の説明は驚くほど正確でした。 Tunny機械の失墜の次の段階は、Enigmaに対する成功から間もないTuringによって達成されました。 Tunny機械の仕組みを知っているだけでは、メッセージを解読するには十分ではありませんでした。暗号解読者たちは、送信者の機械のホイールがどのように設定されていたかについての詳細な情報も必要としていました。各ホイールの円周には調整可能なピンがありました。2つの可能な位置のうち1つでは、ピンは暗号化プロセスに1を貢献し、もう1つでは0を貢献しました。ピンは時々リセットされました。 暗号解読者たちはまた、メッセージの開始時のホイールの位置を知る必要がありました。これはドイツのオペレーターが12の名前のリストで与えていました。 Turingは、「Turingery」と呼ばれる巧妙な方法を発明しました。これにより、暗号解読者は傍受された暗号文のみからピンの位置を推測することができました。 その後、メッセージは名前のリストとTunny機械のイギリス製レプリカを使用して解読することができました。 Turingeryの基礎は、Turingが導入した「デルタ化」（ギリシャ文字のデルタに由来）と呼ばれる手順でした。また、「差分法」としても知られるこのプロセスは、「横方向」の加算を使用しました。ABCDの4つの文字をデルタ化するには、（ビットレベルで）AをBに、BをCに、CをDに加算します。Turingはデルタ化を使用してホイールに関する情報を明らかにしました。 しばしばAdolph Hitler自身によって署名されたTunnyメッセージは、連合国にとってまさに金鉱であることが判明しました。この機械は、ベルリンで軍司令部によって東部および西部の戦線で戦争を指揮する前線将軍と通信するために使用されていました。 システムが破られた後、連合国はドイツの戦闘計画の立案者間の長々とした双方向通信を盗聴できるようになりました。 Turingeryは1年間、暗号解読者にとってTunnyに対する唯一の武器であり、その間に150万文字の暗号文を解読することに成功しました。 しかし、各メッセージの開始時にあった便利な名前のリストが消えたときに、すべてが変わりました。 同時に、Turingeryは効果が薄れていました。Turingの方法は、ドイツの送信者が誤って2つの異なるメッセージを暗号化するために同じホイール設定を使用したことに依存していました。Tunnyネットワーク全体でセキュリティが強化されるにつれて、そのミスはまれになりました。 幸いなことに、TutteはTuringのデルタ化に基づきながらも、新しいアプローチを取る別の解読方法を考案していました。 Colossusコンピュータの構築 Tutteは、名前のリストやドイツのオペレーターのミスを必要とせずに、暗号文からホイール情報を推測する方法を見つけていました。彼の方法は、Tunny機械自体の統計的特性を利用していました。 当初は、彼の統計的方法をどのように適用すればよいか明確ではありませんでした。Tunnyの解読は手作業で行われていました。Turingeryをメッセージに適用することは、巨大な数独やクロスワードパズルを解くようなものでした。 Tutteの統計的方法は、大量のルーチンバイナリ演算と、長いバイナリシーケンスの膨大なカウントを必要としました。このプロセスを手作業で行うと、1つのメッセージを解読するのに数ヶ月かかる可能性がありました。必要なのは、プロセスを自動化する機械でした。技術者Thomas H. Flowersは、複雑な新しいドイツの暗号を解読するためにColossusを開発しました。Pictorial Press/Alamy 最初の計画は、電磁リレーから機械を構築し、数ダースの真空管を追加してカウントを高速化することでした。電子管は、遅い金属部品が動く電磁リレーよりもはるかに高速でした。しかし、回路設計の問題が機械のリレーベースの論理ユニットを悩ませました。 FlowersはTuringによって推薦され、トラブルシューティングのために連れてこられました。彼はロンドンの郵便研究局からブレッチリーパークに一時的に派遣されていました。そこでは、戦前、数千個の真空管を含む実験的なスイッチング装置の設計に費やしていました。 当時、真空管はそれぞれ熱いフィラメントを含んでいたため、大量に使用することはできないと一般的に信じられていました。これは、真空管が突然故障しやすいことを意味しました。大規模な設置では、1つの真空管が破損して物事が正常に機能しなくなるまで、そう長くはかからないでしょう。 Flowersは、スイッチングのオンオフが真空管にストレスを与えることを発見しましたが、連続してオンにしておくことで、リレーよりも信頼性が高くなることを見出しました。彼は、約2,000個の真空管を含む高速な全電子機械をブレッチリーパークに構築することを提案しました。 ブレッチリーパークの顧問たちは、そのような機械が決して信頼性をもって機能しないと確信していたため、そのアイデアを却下しました。しかし、Flowersは提案された設計に自信を持っており、ロンドンの彼の研究所に引きこもり、彼が信じる電子機械を静かに構築しました。