量子コンピューティングとは実際に何か、そしてなぜそれがビットコインにとって恐ろしい存在であるのかに関する簡潔な解説

今週、Googleは量子コンピュータが理論的にビットコインの秘密鍵を導き出す方法を説明する論文を発表しました9分、その影響はイーサリアム、その他のトークン、プライベートバンキング、そしてひいては世界のあらゆるものにまで及ぶ可能性があります。

量子コンピューティングは、通常のコンピュータの高速版と誤解されがちです。しかし、それはより強力なチップや大規模なサーバーファームではありません。原子レベルで根本的に異なる種類の機械です。

量子コンピュータは、非常に冷たく非常に小さな金属のループから始まります。そこでは、粒子が地球上の通常の条件下では見られない振る舞いを示し、私たちが物理学の基本的な法則と考えているものを変えるような現象が起こります。

物理的にそれが何を意味するかを理解することは、量子脅威について読んでいるだけの状態と、実際にそれを把握している状態との違いです。

コンピュータおよび量子コンピュータの実際の動作原理

通常のコンピュータは情報をビットとして記憶します — 各ビットは0または1のいずれかです。ビットは小さなスイッチに相当します。物理的には、「チップ」上のトランジスタであり、電気を通す（1）か通さない（0）かの微小なゲートです。

すべての写真、すべてのビットコイン取引、これまでに入力したすべての言葉は、これらのスイッチがオンまたはオフのいずれかの状態であるというパターンとして保存されています。ビットに神秘的なものは何もなく、それは二つの確定した状態のいずれかにある物理的な対象です。

すべての計算は、これらの0と1を非常に高速で入れ替えているに過ぎません。現代のチップはこれらを1秒間に数十億回処理できますが、それでも1回ずつ順番に実行しています。

量子コンピュータはビットの代わりにキュービットと呼ばれるものを使用します。キュービットは0、1、または――これは非常に興味深い点ですが――同時に両方であることが可能です！

これは、キュービットがまったく異なる種類の物理的な存在であるため可能です。最も一般的なタイプであり、Googleが使用しているものは、絶対零度より約0.015度高い温度まで冷却された超伝導金属の小さなループであり、これは宇宙空間よりも寒いものの地球上に存在します。

その温度では、電気はループ内を抵抗なく流れ、その電流は量子状態に存在するとされます。

超伝導ループ内では、電流は時計回り（これを0と呼ぶ）または反時計回り（これを1と呼ぶ）に流れることができます。しかし、量子スケールでは、電流は一方向を選ぶ必要はなく、実際には両方向に同時に流れます。

これを単に二つの状態を非常に速く切り替えていると誤解してはなりません。電流は測定可能であり、実験的かつ検証可能な形で、両方の状態に同時に存在しています。

驚異的な物理学

ここまでご理解いただけましたか？素晴らしいです。なぜなら、ここからが本当に奇妙になるからです。その仕組みの背後にある物理学は直感的ではなく、そうあるべきだからです。

日常生活で人が関わるすべてのものは、物事が一つの場所に一度に存在すると仮定する古典物理学に従っています。しかし、粒子は亜原子スケールではこのように振る舞いません。

電子は観測されるまで確定した位置を持ちません。光子は測定されるまで確定した偏光を持ちません。超伝導ループ内の電流は、方向を選ばせるまでは確定した流れの向きを持ちません。

私たちが日常生活でこれを経験しない理由はデコヒーレンスにあります。量子システムが環境、空気分子、熱、振動、光と相互作用すると、重ね合わせ状態はほぼ瞬時に崩壊します。

フットボールは、空気中の何兆もの分子、塵、音、熱、重力などと毎ナノ秒単位で相互作用しているため、同時に二か所に存在することはできません。しかし、ほぼ絶対零度の真空中で微小な電流を孤立させ、あらゆる可能な干渉から遮蔽すれば、量子の挙動は計算に十分な時間持続します。

だからこそ、量子コンピュータの開発は非常に困難なのです。人々は、通常はこのような現象が起こるのを妨げる物理法則を抑制し、計算を実行できるだけの短い時間だけ物理環境を設計しています。

グーグルの機械は、巨大な部屋ほどの大きさの希釈冷凍機内で稼働しており、自然界のどんなものよりも低温で、電磁ノイズ、振動、熱放射に対する多層のシールドに囲まれています。

そして量子ビットは脆弱です それでもなお。彼らは量子状態を常に失っており、これが「エラー訂正」がスケーリングに関するあらゆる議論を支配する理由です。

したがって、量子コンピューティングは古典的なコンピューティングの高速版ではありません。これは、極めて小さなスケール、極めて低温、そして極めて短い時間枠でのみ適用される異なる物理法則を活用しているのです。

これらを積み上げてみてください。

2つの通常のビットは4つの状態（00、01、10、11）のいずれか一つの状態をとることができます（電流は一方向にしか流れないためです）。しかし、2つのキュービットは全ての4つの状態を同時に表現できます。これは電流がすべての方向に同時に流れているためです。

3量子ビットは8つの状態を表します。10量子ビットは1,024状態を表します。50量子ビットは1京を超える状態を表します。量子ビットが1つ増えるごとに数は倍増するため、このスケーリングは非常に指数的になります。

第二の手法は「エンタングルメント」と呼ばれるものです。二つの量子ビットがエンタングルメントされている場合、一方を測定すると、たとえそれらがどれほど離れていても、もう一方について観測者に即座に情報が伝わります。これにより、量子コンピュータは通常の並列計算では不可能な形で、すべての同時状態を横断的に調整することが可能になります。

そして、これらの量子コンピュータは、誤った解答が互いに打ち消し合うように設定されています（重なり合い波が平坦になるように）、正しい解答は互いに強め合います（波が高く積み重なるように）。計算の終了時には、正しい解答が最も高い確率で測定されることになります。

したがって、それは単なるブルートフォースの速度ではありません。計算に対する根本的に異なるアプローチであり、自然が指数関数的に大きな可能性の空間を探索し、その後、論理ではなく物理を通じて正しい答えに収束するというものです。

暗号技術に対する重大な脅威

この驚異的な物理現象こそが、暗号技術にとって恐るべき理由です。

ビットコインを保護する数学は、すべての可能なキーをチェックするのに宇宙の年齢よりも長い時間がかかるという前提に基づいています。

しかし、量子コンピュータはすべての鍵を一つずつ確認するわけではありません。すべての鍵を同時に探索し、干渉を利用して正しい鍵を浮かび上がらせます。

これがビットコインと結びつく部分です。片方向、つまりプライベートキーからパブリックキーへの変換はミリ秒単位で行われます。逆方向、すなわちパブリックキーからプライベートキーへの変換は、従来型コンピュータでは100万年、さらには宇宙の年齢を超える時間がかかるとされます。この非対称性こそが、ある人物が実際にコインを保有していることを証明する唯一の要素です。

ショアのアルゴリズムを実行する量子コンピュータは、そのトラップドアを逆方向に通過することが可能です。今週発表されたグーグルの論文では、それが従来の誰もが見積もっていたよりもはるかに少ないリソースで実現でき、ビットコインのブロック確認時間と競い合う時間枠内であることが示されました。

これが、量子コンピュータによるブロックチェーン暗号の解読の脅威が、真に多くの人々を非常に懸念させている理由です。

この攻撃がどのように段階的に行われるのか、グーグルの論文で具体的に何が変更されたのか、そしてすでに公開されている690万ビットコインにとってそれが何を意味するのかは、本シリーズの次の作品のテーマです。