量子特集：量子コンピューティングって何？

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「The Quantum Issue」より：量子コンピュータの高レベルな概観、それがそもそも何であるか、そして従来のコンピューティングとどう異なるのか。

量子コンピューティングとは何か？量子コンピュータは通常のコンピュータとどう違うのか？これはビットコインとどのような関連があるのか？

新しいビットコイナーたちは必然的にこれらの疑問にぶつかり、実行可能な量子コンピュータが開発された場合のビットコインの露出——それはまさにその存在を脅かす実存的脅威である——に関して、これらの疑問が掘り起こす問題に直面せざるを得なくなっている。

ビットコインを所有できる能力は、秘密鍵のコピーを直接漏洩しない限り、その鍵で保護されたコインを取引するために署名できるのはその鍵を保有する者だけである、という基礎的な前提に依拠している。量子コンピューティングはその前提に疑問を投げかける。

量子コンピュータは単に「コンピュータが速くなったもの」ではない。それらは古典コンピュータとは根本的に異なる方法で機能し、そのため非常に特定の種類の計算において古典コンピュータよりもはるかに効率的である。もちろん、4ページの中で量子コンピュータの仕組みを微細な詳細まで実際に説明するつもりはないが、それらが古典コンピュータと根本的にどう異なるのかという核となる直感は与えよう。

では、両方の種類のコンピュータが大きな暗号鍵のようなものとどのように相互作用するかを見てみよう。

古典コンピュータ（以下、単にコンピュータ）に保存されるすべてのものは、1と0の連続として保存される。各ビット（1または0）は正確に1か0であり、曖昧さはない。データが保存されるとき、それは1と0である。データが操作または変更されるとき、それはビットごとに、ステップごとに、各1または0に対して行われる。

それがコンピュータの仕組みである。それは線形的に、一歩ずつ、保存している離散的で曖昧さのないデータ片を変更していく。先に飛ばしたり、ショートカットしたりすることはできず（数学的により効率的な方法ではなく、取っているステップの観点で）、実行している計算のステップを一つずつ経なければならない。

コンピュータを使って秘密鍵を生成するとき、それはランダムな値（サイコロ入力、一般的なユーザー入力、デバイスハードウェアからのランダム性など）を取得し、それを1と0としてメモリに保存する。そこから、この値に楕円曲線の生成点を掛けて公開鍵を得る必要がある。これはアルゴリズムによって達成され、最も基本的なレベルに煮詰めると、文字通りどのビットを取り出すか、それらをどう変更するか、物理レベルでどの回路に「押し込む」か、そして最終的にビットごとに変更された新しい値をメモリに戻すかという指示である。

実際に有効なアドレスに到達するには他のステップもあるが、この記事の目的にはそれらに立ち入る必要はない（ただし、それらも上記のステップと同様に、メモリ内の1と0を変更する方法についてのステップバイステップの指示にすぎない）。

では、誰かがコンピュータを使って他人の秘密鍵を推測しようとしたらどうなるか？

2の256乗個の可能な秘密鍵がある。それは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通りの異なる可能な鍵である。

コンピュータはそれらの可能な秘密鍵のすべてを一つずつ（または並列で一度に処理できる数だけ）、鍵生成のための上記の正確な指示に従ってステップバイステップで試さなければならない。並列でチェックしようとする数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ショートカットを見つける能力はない。

使いたい計算能力が少なければ少ないほど、時間がかかり、時間を短くしたければ、より多くの計算能力が必要となる。

これはコンピュータで達成するには不可能なタスクである。一方には地球上のすべてのコンピュータでも支払うのに十分ではない計算コストがあり、もう一方にはすべてをチェックし終える前に宇宙のすべての星が死んでしまうほど高い時間的コストがある。

実際に目標を達成するには、線形的または並列で一つずつチェックする以外の別の選択肢が必要である。そこに量子コンピューティングが登場する。

量子コンピュータは離散的な状態では動作しません。すべては正確に1か0です。量子コンピュータにおける最も基本的な情報の単位は量子ビット（ビットの量子版）です。ビットとは異なり、量子ビットは重ね合わせの状態にあり、1と0の両方であると同時に存在します。それが観測されたときにのみ、どちらか一方の離散的な状態に収束します。 

これが、量子コンピュータが異なる方法で計算できるようにする重要な構成要素の1つです。もう1つは量子もつれです。量子ビットは単に孤立して保存されているわけではなく、それらを表す物理的な原子は、観測されると離散的な状態に収束し、互いにもつれ合っています。つまり、もつれ合った原子が観測されて単一の状態に収束するとき、もつれ合った原子は、どれだけ離れていても同じ状態に収束するのです。 

ここからが奇妙になるところで、少し大まかな説明をしなければなりませんが、量子コンピュータが古典コンピュータと根本的に異なる理由について直感的な理解を得られるはずです。古典コンピュータ上のアルゴリズムは、特定のビットの集合を受け取り、アルゴリズムの指示に従って段階的にそれらを変更し、最終的に新しいビットの集合を出力するまでの一連の命令です。つまり、アルゴリズムは段階的に1つの離散的な状態を取り、それを別の状態に変えていくのです。 

量子ビットは、観測されて1つの状態に収束するまで離散的な状態を保存しません。それらは確率を保存します。任意のサイズの量子ビットの集合がもつれ合っている場合（この仮想的なケースでは2 256 ）、それが収束し得るそれぞれの可能な状態には、その特定の状態に収束する一定の確率があります。 

量子アルゴリズムは、離散的な状態を操作するための段階的な命令ではなく、異なる結果の確率を変える方法で、それらのもつれ合った量子ビットを操作する方法に関する一連の命令です。建設的干渉は正しい結果の確率を高めるために使用され、破壊的干渉は誤った結果の確率を下げるために使用されます（これは、物理的な量子コンピュータが正確に機能するのを難しくするノイズや干渉とは異なる概念であることに注意してください）。 

したがって、古典コンピュータが特定の公開鍵に一致するものを見つけるために、個々の秘密鍵を1つずつチェックしなければならないのに対し、量子コンピュータは適切なアルゴリズムを使用して数回実行するだけで、正しい答えに到達できます。これは「すべての可能性を一度にチェックする」ことによって行われるのではありません。単に、重ね合わせが何に収束するかの確率を変更するだけです。 

これが、量子コンピュータが楕円曲線暗号の基礎となる前提を破ることができ、古典コンピュータにはできない理由です（そして、量子コンピュータが、チェックすべき答えの候補が膨大な可能性空間を持つ特定の種類の計算にのみ有用である理由でもあります）。 

古典計算と量子計算のこの根本的な違いは、もし実際に正しく機能する実行可能な量子コンピュータが製造された場合、すべてのビットコイナーの個々のビットコインを保護している基礎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はなくなります。 

はい、そのようなデバイスが実際に製造され、機能する場合、これは深刻なリスクですが、私たちはまったく準備ができていないわけではありません。私たちは問題を理解しており、リスクへの露出を理解しており、問題の多くの異なる側面に対する多数の可能な解決策がまとまりつつあります。 

深呼吸して、リラックスしてください。この号の残りの部分を通して、問題全体を順を追って説明していきます。 

この記事は、Bitcoin Magazineの最新印刷版「The Quantum Issue」に掲載されています。号全体で探求されているアイデアをいち早くご覧いただくために、ここで共有しています。

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