量子コンピューティングの解説：従来のコンピュータとの違いとビットコインにとって重要な理由

量子コンピューティングとは具体的に何であり、通常のコンピュータとどう違うのでしょうか？そして、なぜビットコインユーザーが気にする必要があるのでしょうか？

ビットコインの新規参入者はこれらの質問に定期的に直面し、機能的な量子コンピュータがいつか構築された場合にビットコインの脆弱性に関して提起される懸念に取り組まなければなりません。それは真の存亡の危険となり得るものです。

ビットコインを所有する能力は、直接コピーが漏洩しない限り、秘密鍵の保有者だけがその鍵で保護されたコインに関する取引を承認できるという基本的な前提に依存しています。量子コンピューティングはその前提に挑戦します。

量子コンピュータは単なる「高速なコンピュータ」ではありません。従来のコンピュータとは根本的に異なる原理で動作し、非常に特定の種類の計算においてはるかに効率的です。明らかに、量子コンピューティングの詳細な技術的説明はこの記事の範囲外ですが、従来の機械との違いの核となる考え方を概説します。

それぞれのタイプのコンピュータが大きな暗号鍵をどのように扱うかを考えてみましょう。

従来のコンピュータ

従来のコンピュータにおけるすべてのデータは、1と0の列として表現されます。各ビットは明確に1か0のいずれかです。データはビット単位で、段階的に、一度に1ビットずつ保存、操作、変更されます。

コンピュータは線形的に動作します。離散的で明確なデータを一段階ずつ変更します。ステップバイステップのプロセスで先に飛んだり近道をすることはできず、各計算ステップを順番に実行しなければなりません。

コンピュータが秘密鍵を生成するとき、ランダムな値を取得し、それを1と0としてメモリに保存します。次に、その値を楕円曲線の生成点と乗算して公開鍵を生成します。これはアルゴリズム（基本的にはどのビットを取り、どのように変更し、どの物理回路を使用するかという指示）によって行われ、最終的に新しい変更された値をメモリに戻します。

有効なアドレスを生成するには追加のステップが必要ですが、この議論では重要ではありません。これらも同じパターンに従います。メモリ内の1と0を変更するためのステップバイステップの指示です。

誰かがコンピュータを使って他人の秘密鍵を推測したい場合はどうなるでしょうか？

可能な秘密鍵は2^256個あります。つまり115,792,089,237,316,195,423,570,985,008,687,907,853,269,984,665,640,564,039,457,584,007,913,129,639,936通りの可能性です。

コンピュータはそれらの秘密鍵をすべて、一つずつ（または可能な限り並列に）正確な鍵生成手順に従ってテストする必要があります。並列にチェックする鍵が多ければ多いほど、より多くの計算能力が必要となり、そのコストを回避する方法はありません。

計算能力が少なければ時間がかかり、時間を短縮するにはより多くの計算能力が必要です。

これは従来のコンピュータにとって不可能な作業です。一方で、計算コストは地球上のすべてのコンピュータの合計容量を超えます。他方で、必要な時間はあまりにも膨大で、すべての鍵がチェックされる前に宇宙のすべての星が燃え尽きてしまうでしょう。

成功するためには、鍵を線形的または並列にチェックすることに依存しない別のアプローチが必要です。そこで量子コンピューティングが登場します。

量子コンピュータ

量子コンピュータは離散状態では動作しません。すべては最終的に1か0ですが、基本情報単位は量子ビットです。ビットとは異なり、量子ビットは重ね合わせ状態にあり、1と0の両方を同時に取ります。観測されたときにのみ、一つの確定した状態に落ち着きます。

重ね合わせは重要な構成要素の一つです。もう一つは量子もつれです。量子ビットは孤立して保存されるわけではなく、それらを表現する物理原子がもつれ合います。観測されて収縮すると、もつれた原子は距離に関係なく同じ状態に収縮します。

ここで説明はやや大雑把になりますが、本質的な直感は残ります。従来のアルゴリズムは、特定のビットを取り出し、段階的に変更して新しいビットのセットを出力する一連の指示です。一つの離散状態を別の離散状態に変換します。

量子ビットは観測されるまで離散状態を保存しません。確率を保存します。任意のサイズの量子ビットがもつれ合っている場合（仮に2^256）、各可能な収縮状態には発生する確率があります。

量子アルゴリズムは離散状態を操作するためのステップバイステップの指示ではありません。代わりに、もつれ合った量子ビットを操作して異なる結果の確率を変更するための指示です。建設的干渉は正しい結果の確率を高め、破壊的干渉は誤った結果の確率を下げます。（これは、機能する量子コンピュータの構築を困難にする物理的ノイズとは異なります。）

従来のコンピュータは、与えられた公開鍵に一致する秘密鍵を見つけるために、各秘密鍵を個別にチェックしなければなりません。量子コンピュータは、正しいアルゴリズムを使用すれば、数回実行して正しい答えに到達できます。一度にすべての可能性をチェックするわけではありません。単に重ね合わせが収縮するものの確率を調整するだけです。

これにより、量子コンピュータが楕円曲線暗号の前提を破ることができる一方、従来のコンピュータにはできない理由が説明されます。また、量子コンピュータが膨大な答えの空間を持つ特定の問題にのみ有用である理由も説明されます。

慌てる必要はありません

この根本的な違いは、実行可能で正しく機能する量子コンピュータがいつか構築された場合、すべてのビットコインユーザーのコインを保護する基本的な前提が破られることを意味します。それらの資金はすべて安全でなくなります。

はい、そのようなデバイスが実際に製造されて動作する場合、これは深刻なリスクです。しかし、コミュニティは完全に準備ができていないわけではありません。問題とその露呈は理解されており、問題のさまざまな側面に対する多くの潜在的な解決策が形になりつつあります。

息を吸ってリラックスしてください。この号の残りでは、問題全体を詳しく説明します。

この記事は、最新の印刷版『Bitcoin Magazine』のThe Quantum Issueに掲載されています。ここでは、全号で探求されるアイデアの早期プレビューとして共有されています。