量子コンピューティングの驚異的な物理学がビットコインと暗号資産にとって恐ろしい理由

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出できる方法を説明する論文を発表しました。その影響はイーサリアム、他のトークン、プライベートバンキング、そして潜在的に世界のあらゆるものに及びます。

量子コンピューティングは通常のコンピュータの高速版と勘違いされがちです。しかし、それはより強力なチップやより大きなサーバーファームではありません。それは原子レベルで異なる、根本的に異なる種類のマシンです。

量子コンピュータは、粒子が地球上の通常の条件下では示さない方法で振る舞い始める、非常に冷たく非常に小さな金属ループから始まります。それは私たちが物理学の基本的なルールと考えるものを変える方法です。

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ことと実際にそれを把握することの違いです。

コンピュータと量子コンピュータが実際にどのように機能するか

通常のコンピュータは情報をビットとして保存します。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)かの微細なゲートです。

すべての写真、すべてのビットコイン取引、あなたが今まで入力したすべての単語は、これらのスイッチがオンまたはオフのパターンとして保存されています。ビットには神秘的なものは何もありません。それは2つの明確な状態のいずれかにある物理的なオブジェクトです。

すべての計算は、これらの0と1を本当に速く並べ替えているだけです。現代のチップは1秒間に数十億回これを行うことができますが、それでも一度に1つずつ、順番に行います。

量子コンピュータはビットの代わりに量子ビットとして知られるものを使用します。量子ビットは0、1、またはこれが奇妙な部分ですが、両方を同時に表すことができます!

これが可能なのは、量子ビットが完全に異なる種類の物理的オブジェクトだからです。最も一般的なバージョンで、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、宇宙空間よりも冷たいですが、ここ地球上にあります。

その温度では、電気は抵抗なくループを流れ、電流は量子状態に存在すると言われています。

超伝導ループでは、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1つの方向を選ぶ必要がなく、実際には両方向に同時に流れます。

それを2つの間を本当に速く切り替えることと間違えないでください。電流は測定可能で、実験的かつ検証可能に両方の状態に同時に存在します。

驚異的な物理学

ここまでついてきていますか?素晴らしい。なぜなら、ここから本当に奇妙になるからです。なぜなら、それがどのように機能するかの背後にある物理学はすぐには直感的ではなく、そうであるべきではないからです。

日常生活で誰かが相互作用するすべてのものは古典物理学に従っており、それは物事が一度に一箇所にあることを前提としています。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。

電子は見るまで明確な位置を持ちません。光子は測定するまで明確な偏光を持ちません。超伝導ループ内の電流は、選択を強制するまで明確な方向に流れません。

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、重ね合わせはほぼ瞬時に崩壊します。

サッカーボールは一度に2箇所に存在できません。なぜなら、それは毎ナノ秒、何兆もの空気分子、塵、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中の小さな電流を隔離し、あらゆる可能な妨害から遮断すれば、量子動作は計算するのに十分な時間生き残ります。

それが量子コンピュータの構築が非常に難しい理由です。人々は通常これが起こることを防ぐ物理法則が計算を実行するのにちょうど十分な時間だけ抑えられる物理環境を設計しています。

Googleのマシンは巨大な部屋サイズの希釈冷凍機で動作し、自然界のどこよりも冷たく、電磁ノイズ、振動、熱放射に対する遮蔽層に囲まれています。

そして、量子ビットはそれでも脆弱です。それらは常に量子状態を失うため、「エラー訂正」がスケールアップに関するすべての会話を支配しています。

したがって、量子コンピューティングは古典的コンピューティングの高速版ではありません。それは極めて小さなスケール、極めて低い温度、極めて短い時間枠でのみ適用される異なる物理法則のセットを利用しているのです。

さて、これを積み重ねてみましょう。

2つの通常のビットは4つの状態(00、01、10、11)のいずれかになりますが、一度に1つだけです(電流は1つの方向にのみ流れるため)。2つの量子ビットは4つの状態すべてを同時に表すことができます。電流がすべての方向に同時に流れているためです。

3つの量子ビットは8つの状態を表します。10個の量子ビットは1,024を表します。50個の量子ビットは1,000兆以上を表します。量子ビットが追加されるたびに数は倍増します。これがスケーリングが指数関数的である理由です。

2番目のトリックはエンタングルメントと呼ばれるものです。2つの量子ビットがエンタングルされている場合、1つを測定すると、どれだけ離れていても、観察者は即座にもう1つについて何かを知ることができます。これにより、量子コンピュータは通常の並列コンピューティングができない方法で、これらすべての同時状態間で調整できます。

そして、これらの量子コンピュータは、間違った答えが互いに相殺され(平らになる重なり合う波のように)、正しい答えが互いに強化される(より高く積み重なる波のように)ように設定されています。計算の終わりまでに、正しい答えが測定される確率が最も高くなります。

したがって、それは力ずくの速度ではありません。それは計算への根本的に異なるアプローチであり、自然が可能性の指数関数的に大きな空間を探索し、論理ではなく物理学を通じて正しい答えに収束することを可能にするものです。

暗号化への記念碑的な脅威

この驚異的な物理学が暗号化にとって恐ろしい理由です。

ビットコインを保護する数学は、すべての可能な鍵をチェックするには宇宙の年齢よりも長くかかるという仮定に依存しています。

しかし、量子コンピュータはすべての鍵をチェックしません。それらすべてを同時に探索し、干渉を使用して正しいものを表面化します。

それがビットコインに結びつくところです。1つの方向、秘密鍵から公開鍵へは、ミリ秒かかります。反対方向、公開鍵から秘密鍵に戻るには、古典的コンピュータで100万年、あるいは宇宙の年齢よりも長くかかるでしょう。その非対称性が、人がコインを保持していることを証明する唯一のものです。

Shorのアルゴリズムと呼ばれるものを実行する量子コンピュータは、そのトラップドアを逆に通過できます。今週のGoogleの論文は、以前誰もが推定したよりもはるかに少ないリソースで、そしてビットコイン自身のブロック確認と競争する時間枠内でそれを行うことが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暗号化を破る脅威が本当に皆を非常に心配させている理由です。

その攻撃がステップバイステップでどのように機能するか、Googleの論文が具体的に何を変えたか、そしてそれがすでに露出している690万ビットコインにとって何を意味するかは、このシリーズの次の記事の主題です。