量子コンピューティングが実際に何であるか、そしてビットコインにとってなぜ恐ろしいのかを簡潔に解説します

今週、Googleは、量子コンピュータが理論上9分でビットコインの秘密鍵を導き出せる可能性を記述した論文を公開しました。その影響はEthereumをはじめとする他のトークン、プライベートバンキング、そして潜在的には世界のあらゆるものにまで及びます。

量子コンピューティングは、通常のコンピュータのより速い版だと勘違いしやすいです。けれども、それはより強力なチップでも、より大規模なサーバファームでもありません。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、非常に小さい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起こらない振る舞いを始め、それが物理学の基本ルールとして私たちが考えているものを変えてしまいます。

それが物理的に何を意味するのかを理解することは、量子の脅威について読むのと、実際にそれを掴むのとの違いです。

コンピュータと量子コンピュータが実際にどう動くか

通常のコンピュータは情報をビットとして保存します――それぞれが0か1のどちらかです。ビットは小さなスイッチです。物理的には「チップ」上のトランジスタで、電気を通す（1）か通さない（0）という、微視的なゲートです。

あなたが入力したあらゆる写真、あらゆるビットコインの取引、あらゆる言葉は、これらのスイッチがオンかオフかというパターンとして保存されています。ビットに不思議なところはありません。それは2つの確定した状態のうちの1つにある、物理的な対象です。

あらゆる計算は、これらの0と1を非常に高速に並べ替えるだけです。現代のチップは1秒あたり数十億回これを実行できますが、それでも1つずつ、順番に行っています。

量子コンピュータは、ビットの代わりに「量子ビット（qubit）」を使います。量子ビットは0、1、そして――厄介なところですが――同時に両方であり得ます！

これは、量子ビットがまったく別の種類の物理的な対象だから可能です。いちばん一般的なバージョン、そしてGoogleが使っているものは、絶対零度の約0.015度上まで冷却された超伝導金属の小さなループです。宇宙の外側よりは冷たく、しかも地球上でそうするのです。

その温度では、電気は抵抗なしでループを流れ、電流は量子状態として存在していると言われます。

超伝導ループでは、電流は時計回りに流れる（0と呼ぶ）か、反時計回りに流れる（1と呼ぶ）ことができます。しかし量子スケールでは、電流はどちらか1方向を選ぶ必要がなく、実際に両方向へ同時に流れます。

2つの状態の切り替えだと勘違いしないでください。電流は、測定可能で、実験的で、検証可能な形で、同時に両方の状態にあります。

（CoinDesk）

心を揺さぶる物理

ここまでついてきましたか？素晴らしいです。では、本当に不思議になるところです。なぜなら、それがどのように機能するかを支える物理は、直感的にすぐ理解できるものではなく、そうなるべきでもないからです。

日常生活で誰かが接するあらゆるものは古典物理に従います。古典物理は、物事は「ある時点で、ある場所にある」と仮定します。けれども素粒子のスケールでは、粒子はそのようには振る舞いません。

電子は、見るまで確定した位置を持ちません。フォトン（光子）は、測定す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も、強制的に選ばせるまで、確定した向きには流れません。

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（量子状態の崩れ）」です。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、重ね合わせはほとんど瞬時に崩壊します。

サッカーボールが2つの場所に同時に存在できないのは、あらゆるナノ秒ごとに、数兆という数の空気分子、ちり、音、熱、重力などと相互作用しているからです。しかし、絶対零度に近い真空でごく小さな電流を孤立させ、あり得るあらゆる撹乱から遮断すれば、量子の振る舞いは計算できるほどの十分な時間だけ生き残ります。

だから量子コンピュータは作るのがとても難しいのです。人々は、通常であればそれが起こるのを妨げる物理法則が、計算を実行できるくらいの間だけは遠ざけられている物理環境を設計しています。

Googleのマシンは、大きな部屋ほどのサイズの希釈冷凍機で動作し、自然宇宙の何よりも冷たい温度に置かれています。そこには、電磁ノイズ、振動、熱放射に対するシールドの層が取り囲んでいます。

そして、量子ビットはそれでも脆いのです。量子状態を絶えず失ってしまうため、「エラー訂正」がスケールアップに関するあらゆる会話を支配します。

つまり、量子コンピューティングは古典コンピューティングのより速い版ではありません。極めて小さなスケール、極めて低い温度、そして極めて短い時間枠でのみ適用される、別の物理法則を利用しているのです。

（CoinDesk）

では、それを積み上げると。

通常のビット2つは、4つの状態（00、01、10、11）のいずれかに存在できますが、同時に1つだけです（電流が1方向にしか流れないため）。量子ビット2つなら、電流があらゆる方向に同時に流れているため、4つの状態すべてを同時に表せます。

量子ビット3つなら8つの状態。量子ビット10個なら1,024。量子ビット50個なら1千万兆（1,000,000,000,000,000）を超えます。追加するたびに数は2倍になり、それがスケーリングが非常に指数関数的になる理由です。

次のトリックは「エンタングルメント（量子もつれ）」です。2つの量子ビットがエンタングルされると、どれだけ離れていようと、一方を測定すると、もう一方について観測者に即座に何かを伝えます。これにより、量子コンピュータは、それらの同時に存在する状態すべてにまたがって調整でき、通常の並列コンピューティングではできないやり方になります。

そして、これらの量子コンピュータは、間違った答えは互いに打ち消し合うように設計されています（重なり合う波が平たくなるように）し、正しい答えは互いに強め合うように設計されています（波がより高く重なっていくように）。計算の終わりには、正しい答えが測定される確率が最も高くなります。

つまり、それは力任せの高速化ではありません。計算への根本的に異なるアプローチであり、自然が指数関数的に巨大な可能性の空間を探索し、その後、論理ではなく物理によって正しい答えへと収束させることを可能にします。

暗号にとっての壮大な脅威

この心を揺さぶる物理が、暗号化にとってどれほど恐ろしいのかの理由です。

ビットコインを守る数学は、あらゆる可能な鍵を検証するには宇宙の年齢より長い時間がかかる、という前提に依存しています。

しかし量子コンピュータは、すべての鍵を1つずつチェックしません。鍵のすべてを同時に探索し、干渉を使って正しいものを浮かび上がらせます。

それがビットコインとの結び付きです。秘密鍵から公開鍵へと一方向に進むのはミリ秒単位です。公開鍵から秘密鍵へという逆方向に進むのは、古典コンピュータなら100万年、あるいは宇宙の年齢よりもさらに長くかかるでしょう。その非対称性こそが、その人が自分のコインを保持していることを証明する唯一のものです。

（CoinDesk）

Shor’sというアルゴリズムを動かす量子コンピュータなら、そのトラップドアを逆にたどれます。今週のGoogleの論文は、これを誰もがこれまで見積もってきたよりもはるかに少ないリソースで、しかもビットコイン自身のブロック確認に競り合うような時間枠で実行できることを示しました。

これが、量子コンピュータがブロックチェーンの暗号化を破ってしまうという脅威が、本当に誰もが強く心配している理由です。

この攻撃がステップごとにどのように機能するのか、Googleの論文で具体的に何が変わったのか、そしてすでに露出している690万（6.9 million）ビットコインにそれが何を意味するのか――それは、このシリーズの次のパートの主題です。