GoogleのWillow Chip(出典:reversepcb)

GoogleのWillow Chip Launch（出典：reversepcb)

「技術の急速な進歩により、量子コンピューティングは理論的な概念から実用的な現実へと移行しました。2024年12月にGoogleがWillow量子チップを発表したことは広範な注目を集めました。このチップは計算能力の大幅な飛躍を示し、既存の暗号化システムに潜在的な挑戦をもたらします。この記事では、量子コンピューティングの原理について掘り下げ、GoogleのWillowチップが表す技術的な突破について探求し、その潜在的な応用について検討し、暗号通貨に対する脅威を評価し、暗号通貨業界がこの新興の課題にどのように対応すべきかについて議論します。

量子コンピューティングとは何ですか？

量子コンピューティングは、量子力学の原理に基づいた革新的な計算アプローチであり、計算を行うために量子ビットまたはキュービットを利用しています。 通常のバイナリビットが0または1を表すのに対し、キュービットは両方の状態の重ね合わせで同時に存在でき、量子もつれを介して複雑な相関を示すことができます。

この独自の特性により、量子コンピューターは指数関数的に高速なスピードで特定の問題を解決することが可能になります。たとえば、伝統的なコンピューターでは何百万年もかかる素因数分解のようなタスクを、量子コンピューティングを使用すれば数秒または数分で完了させることができます。このような能力は現代の暗号解読や科学計算に深い影響を与え、機会と課題を提供しています。

なぜ量子コンピューターはスーパーコンピューターよりも速いのですか？

量子コンピュータの利点は、量子力学の3つの核心原則に由来しています。

1. 重ね合わせ：

   • 1つの量子ビットは同時に0と1の状態にあることができ、つまり𝑛個の量子ビットは2^𝑛の可能な状態を表すことができます。これにより、量子コンピューティングは複数の可能性を同時に探索し、効率を大幅に向上させることができます。

2. 量子もつれ:

   • 量子もつれは、2つの量子ビットが非常に相関した状態を持つことを可能にし、それらが離れていてもです。この特性により、量子コンピュータはマルチキュビット演算中に迅速に連携し、遅延を減らすことができます。

3. 干渉：

   • 量子コンピューティングは、量子状態の位相を操作して、正しい答えの確率を高めると同時に、間違った答えの確率を低下させることができます。この能力により、計算の速度と正確性の両方がさらに向上します。

量子コンピューティングを迷路を解くプロセスに例えると、従来のCPUは各パスを1つずつしか試すことができませんが、GPUは数千のエージェントを同時に異なるパスに送ることができます。しかし、量子コンピューターは、出口が見つかるまで、無数のシャドウクローンがすべての経路を同時に探索するようなものです。

GoogleのWillow Chip技術的なブレークスルー

GoogleのWillowチップの最も重要な成果は、次の2つです。

• Willowは誤差を指数関数的に低減し、この分野で30年近く追求されてきた量子誤り訂正の重要な課題を解決することができます。
• ウィローは、最速のスーパーコンピューターの1つが今日までに10兆兆年（10^25年）かかるタスクを、5分未満で完了しました。これは宇宙の年齢をはるかに超える数字です。

Googleの量子コンピューティングの最新の進歩は、Willowチップを中心に展開されています。以前のSycamoreチップと比較すると、Willowチップには105量子ビットが搭載されており、Sycamoreの2倍の数となっています。しかし、実際のブレイクスルーは量子ビットの数と品質にあります。Willowの量子ビットのコヒーレンス時間であるT1時間は、前のチップと比較して約5倍改善されています。この強化により、量子ビットは情報をはるかに長い期間保持することが可能となり、これはスケールの大幅な増加だけでなく、精度と安定性を確保する上で重要な要素です。

以前、キュービットの中核的な問題はその脆弱性でした。量子コンピューティングの主要な課題の1つは、キュービットが外部干渉に非常に敏感であり、これによりエラー率が高くなることです（キュービットを追加するとエラー率が急激に増加します）。 Willowチップは、サーフェスコードエラー訂正として知られる技術を導入し、物理キュービットをより安定した論理キュービットに組み合わせ、エラーの発生確率を大幅に減らします。これは、量子コンピューティング分野において30年近く未解決の重要な課題に対処しています。

Willowチップは論理量子ビットを活用することで、自己修正を可能にし、エラー率を大幅に低減します。その中核をなすのが量子誤り訂正(QEC)です。

Julian Kelly, Quantum Computing Hardware Director,がWillowとその成果を紹介（出典:youtube)

量子エラー訂正とは何ですか？

量子誤り訂正(QEC)は、量子コンピュータの動作中に発生するエラーに対処するために使用される方法です。量子ビットは非常に感度が高く、迷光だけで計算エラーが発生する可能性があるため、エラー率を下げるには量子エラー訂正技術が不可欠です。

従来のコンピュータはエラーを修正するためにパリティチェックを使用しますが、量子コンピュータは単一のキュビットの状態を直接測定してエラーを検出することはできません。代わりに、QECは複数の物理的なキュビットを利用して論理的なキュビットを形成します。いくつかの物理的なキュビットが乱された場合でも、システムは正しい情報を復元することができます。単純に言えば、情報は単一のキュビットに集中するのではなく、複数のキュビットに分散されているため、一部のキュビットが乱されたとしても、残りのキュビットはエラーを修正するために十分な情報を提供できます。

Googleの研究者は、より多くのキュビットを導入し、リアルタイムのエラー訂正を行うことで、エラー率を大幅に低減できることを発見しました。彼らは、このブレークスルーをNature誌の最新号で公表し、それを「しきい値以下」の進歩と表現しました。これは、キュビットの数が増えると、エラー率が指数関数的に低下することを意味し、量子コンピューティングの歴史における重要なマイルストーンを示しています。

量子コンピューティングの応用

薬物開発と材料科学

量子コンピューティングは、研究者が分子相互作用を迅速に予測し、新薬や材料の発見を加速するために分子構造をシミュレートすることができます。例えば、

• 医薬品設計:量子コンピューティングは、タンパク質の折り畳みプロセスをシミュレートすることで医薬品設計に革命をもたらし、がん治療薬やワクチンの開発を大幅に加速する可能性を秘めています。例えば、COVID-19ワクチンの開発では、量子コンピューティングがタンパク質構造の解析に重要な役割を果たしました。富士通の量子インスパイアード技術により、数兆個の分子をふるいにかけ、有望な新薬候補をわずか8週間で特定し、通常の創薬期間を大幅に短縮することができました。
• 材料科学：新しい超伝導材料や次世代バッテリー技術の研究を行い、電気自動車のバッテリー効率と寿命を向上させます。

気候モデリングと環境科学

量子コンピューティングは、環境変化を理解し、環境の変化を把握し、解決策を見つけるために、複雑なプロセスをシミュレートすることができます。

• 気候シミュレーション：将来の地球温暖化の傾向を予測し、排出削減政策の策定を支援するためのデータを提供します。
• エネルギー配布最適化：研究者がより効率的な電力グリッドシステムを設計し、エネルギー配布を最適化し、廃棄物を減らすのを支援します。 たとえば、富士通はハンブルク港と提携して、港湾地域の信号を最適化するために量子インスパイアードコンピューティングを使用しました。 これにより、渋滞と汚染が減少し、より効率的なエネルギー利用が実現されます。

新エネルギーと核融合

量子コンピューティングは原子や分子の振る舞いをシミュレートすることができ、核融合技術の研究やより効率的なエネルギーシステムの開発を加速させることができます。

• 核融合反応シミュレーション:量子コンピューティングは、研究者が核融合反応に必要な複雑な条件を理解するのに役立ち、クリーンエネルギー革命を推進する上で極めて重要な役割を果たします。
• バッテリー技術の向上:量子コンピューティングは、分子レベルで化学反応をシミュレートすることで、より効率的で環境に優しいバッテリーの設計に役立ちます。例えば、ダイムラーはIBMと共同で、量子コンピューティングを活用して硫黄分子の挙動をシミュレーションし、より高性能で長持ちするリチウム硫黄電池の開発に貢献しました。

輸送と物流

• フライトスケジューリング：IBMは、フリート管理、乗組員の割り当て、および旅客要因を同時に最適化するために量子コンピューティングを利用し、フライト運用の迅速な回復を加速するための最も効率的なソリューションを提供しています。
• 自動車製造：トヨタとのパートナーシップを活かし、富士通はデジタル焼鈍技術を利用してリアルタイムの交通ルートを計算し、物流コストを効果的に削減し、運用効率を向上させています。

Google Quantum AIの創設者であるHartmut Neven氏は、Willowチップのリリースは商用化可能な量子コンピューティングにとって重要な一歩であると指摘しています。 技術はまだ初期段階にありますが、将来的に実世界の問題を解決するための堅実な基盤を提供しています。

暗号通貨への量子コンピューティングの脅威

量子コンピューティングが進化し続ける中、暗号通貨のセキュリティに前例のない課題が生じています。現在、ほとんどの暗号通貨は、楕円曲線暗号(ECC)やSHA-256ハッシュ関数などの従来の公開鍵暗号化方式に依存しています。しかし、量子コンピューターの膨大な計算能力は、これらの既存の暗号化標準を完全に弱体化させる可能性があります。

1.公開鍵暗号解読のリスク

• 従来の公開鍵暗号化方式（RSAやECCなど）は、素因数分解や離散対数などの計算上の難しさに依存してセキュリティを確保しています。
• 量子コンピューティングのショアのアルゴリズムはこれらの問題を指数関数的に高速に解決することができ、現在の暗号化方法を脆弱にします。これにより、ハッカーがセキュリティ対策を迂回して、ユーザーの秘密鍵にアクセスし、デジタル資産を危険にさらす可能性があります。

2.ハッシュアルゴリズムのリスク

• Bitcoinのプルーフオブワーク（PoW）メカニズムは、取引の整合性を確保するためにSHA-256ハッシュ関数に依存しています。
• 量子コンピューティングのグローバーのアルゴリズムは、SHA-256の解読プロセスを平方根の要因で高速化することができます。これはショアのアルゴリズムほど壊滅的ではありませんが、公開鍵暗号に対する影響力は依然として暗号通貨のセキュリティを弱体化させる可能性があります。

3.トランザクションセキュリティの問題

• 取引の詳細は、ビットコインなどの暗号通貨のブロックチェーン上で公開されています。ハッカーは、未確認の取引の秘密鍵を解読するために量子コンピューティングを活用する可能性があり、これによって不正な取引を開始することができます。
• この「攻撃優先、確認後」の脆弱性は、暗号資産を危険にさらし、ブロックチェーンネットワークの総合的な信頼性と信頼性を損なう可能性があります。

ハドソン研究所の報告によると、量子コンピューターがビットコインのセキュリティを破ることに成功した場合、市場損失は3兆ドルを超え、グローバル金融市場に混乱をもたらす可能性があります。これは、ビットコインや他の暗号資産が投資資産として主流採用され続けるにつれて、このリスクは成長するでしょう。ただし、ビットコインの暗号を破るのに十分な強力な量子コンピューターが実現するのは少なくとも10年先のこととされています。それにもかかわらず、この脅威は長期的な懸念として残ります。ビットコイン開発コミュニティがセキュリティプロトコルを適時に更新できない場合、将来において重大なリスクに直面する可能性があります。暗号資産の現在の暗号技術は従来のコンピューティング環境では効果的ですが、量子コンピューターの計算能力がこのバランスを崩す可能性が最終的にはあります。

暗号資産に対する量子コンピューティングへの対応戦略と方向性

量子コンピューティングの進展に伴い、暗号資産コミュニティと研究機関は、デジタル資産を保護し、ブロックチェーン技術の安定した発展を確保する戦略を積極的に探求しています。これらの戦略には、暗号技術のアップグレード、ブロックチェーンプロトコルの強化、取引セキュリティ対策の強化、規制と基準の確立、そして長期的なモニタリングと協力フレームワークの構築が含まれています。

ポスト量子暗号化（PQC）の開発

先に述べたように、RSAやECCなどの現在の暗号化技術は、量子コンピュータによって破られる可能性があるため、Post-Quantum Cryptography（PQC）の開発が中心的な焦点となっています。米国国立標準技術研究所（NIST）は、Post-Quantum Cryptography標準を確立する取り組みをリードしており、これには以下が含まれています。

• 格子ベースの暗号化：KyberやNTRUなどの手法は、格子理論を活用してセキュリティを提供するものであり、NISTによってポスト量子暗号基準として選定されています。
• ハッシュベースの暗号化: その例として、量子コンピューティング攻撃に対する堅牢な保護を提供し、デジタル署名に適しているSPHINCS+が挙げられます。
• 多変量多項式暗号化：この手法は、多変量多項式方程式の解を複雑化することに依存してセキュリティを維持します。

ブロックチェーンプロトコルのアップグレードとテクノロジーの統合

新しい暗号技術を開発するだけでなく、ブロックチェーンプロトコルは量子時代のセキュリティ要求を満たすためにアップグレードされなければなりません。主要なブロックチェーンプロジェクトは現在、次の技術を探求しています:

• Bitcoin：コミュニティは、取引のセキュリティを確保するためにラムポート署名やウィンターニッツ署名などの事後量子署名をBitcoinネットワークに統合する方法を検討しています。
• イーサリアム：zk-SNARKやSTARKなどのゼロ知識証明技術を研究し、プライバシーを向上させ、従来の暗号技術への依存を減らすことを目指しています。
• 量子耐性ブロックチェーン：Quantum-Resistant Ledger（QRL）やQANplatformなどのプロジェクトは、量子攻撃に耐えるブロックチェーン技術の開発に焦点を当てており、取引やデータのセキュリティをアーキテクチャレベルで保護しています。
• ブロックチェーンのコンセンサスメカニズムの最適化:耐量子プルーフ・オブ・ステーク(PoS)などの新しいコンセンサスアルゴリズムの導入は、量子の脅威に直面した分散型システムの長期的な安定性とセキュリティを確保することを目的としています。

取引とプライベートキーのセキュリティ強化

量子コンピューティングが従来の暗号を破る可能性を考慮すると、暗号資産取引や秘密鍵のセキュリティをさらに強化することが重要です。

• マルチシグネチャ技術：これには複数の秘密鍵が必要で、取引を承認するために、単一の脆弱性のリスクを最小限に抑え、セキュリティを向上させます。
• しきい値署名スキーム（TSS）：このアプローチは、秘密鍵を複数の部分に分割し、複数のデバイスに分散させます。これにより、ハッカーが量子コンピューティングを使用して単一の鍵を侵害するのがより困難になります。
• トランザクション確認時間の短縮:ネットワーク効率を最適化することで、トランザクションの確認にかかる時間を短縮し、ネットワーク上の秘密鍵の公開期間を短縮できます。

規制と基準の確立

• グローバル標準の開発：NISTやISOなどの政府機関や国際機関は、技術企業と緊密に連携して、統一された量子コンピューティング後の暗号化基準を作成するべきです。この協力的な取り組みにより、仮想通貨市場内でのセキュリティ対策のグローバルな向上が確保されます。
• 量子リスクに対する規制：規制当局は、仮想通貨取引所やウォレットプロバイダーが量子耐性メカニズムを採用するよう義務付けるガイドラインを実施すべきです。これらの規制は、投資家の利益を保護する上で重要です。

結論

量子コンピューティングの開発はGoogleのWillowチップにより量子時代に一歩近づいた重要な段階に達しています。これは技術的な飛躍を示す一方で、暗号資産や金融システムのセキュリティにも重大な脅威をもたらします。専門家は、ビットコインの暗号を解読する量子コンピュータはまだ10年から20年先のものと予測していますが、競争は既に始まっています。Hudson Instituteの研究者であるArthur Herman氏は、量子ハッキング攻撃は時間の爆弾に等しいと警告しています。それが発生すると、最大3兆ドルの市場価値の損失をもたらし、金融危機を引き起こす可能性があります。ビットコインの価値が10万ドルに近づくにつれて、ハッカーにとってより魅力的なターゲットになります。ブロックチェーンコミュニティ、学術機関、政府規制機関が協力して、後量子暗号（PQC）の推進や既存のブロックチェーンインフラのアップグレードを進めることが重要になり、デジタル資産を保護することが求められます。時間との競争の中で、積極的な措置を講じる者が量子時代において最も有利な立場にあることが重要です。