量子コンピューティングとブロックチェーンの完全解説
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量子コンピューティングとブロックチェーンの完全解説
量子コンピューティングとブロックチェーンの将来は極めて不確実であり、コンピューターサイエンスの将来を決定づける要因の一つとなる可能性がある。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Suzytu
量子コンピューティングはブロックチェーンを破壊するのか、それともより安全にするのか？
計算の未来について語るとき、ブロックチェーンと量子コンピューティングは最も魅力的で議論を呼ぶ二大分野である。実用面ではブロックチェーンの方がはるかに進んでおり――個人や企業が利用できる暗号通貨や暗号技術の構築を含む――一方で、量子コンピューティング業界も驚異的なスピードで成長している。実際、量子コンピューティングの市場成長率はブロックチェーンに次ぐものであり、2022年から2027年にかけて年率25％のペースで拡大すると予測されている。
一部の専門家は、量子コンピューティングの進展がブロックチェーンの終焉の始まりになるかもしれないと指摘している。なぜなら、量子コンピュータは最先端のブロックチェーン暗号さえも解読できる可能性があるためだ。あるいは、量子コンピュータがブロックチェーンをある意味で置き換える可能性もあり、データ保護のためのより高度な手段として将来のセキュリティを担うかもしれない。
ある意味で、ブロックチェーン暗号と量子コンピューティングは暗号学競争においてどちらが勝つかを決めるレースに突入している。最も重要な問題は、量子コンピュータがブロックチェーンを解読するほど急速に発展するかどうかだろう。その答えは、暗号研究者が量子ハッカーからの攻撃に対抗するための十分に迅速なセキュリティ対策を開発できるかどうかにかかっている。
しかし、量子コンピューティングとブロックチェーンの関係が必ずしも敵対的であるとは限らない。一部の研究者は、両者が最終的に融合する可能性を示唆している。これにより、より安全で高速かつ潜在的に革命的なコンピューティングソリューションが生まれ、さまざまな暗号および現実世界の問題の解決に貢献する可能性がある。
目次
1. 量子コンピューティングとは――ブロックチェーンとの違いは？
2. 量子コンピューティングはブロックチェーンを破壊し、暗号通貨を終わらせるのか？
3. 量子コンピューティングは将来的にブロックチェーンと統合または強化できるのか？
4. 抗量子レジャー（AQL）とは何か？
5. ビットコイン・ポストクアンタム（BPQ）とは何か？
6. 量子コンピューティングとブロックチェーンの将来はどうなる？
量子コンピューティングとは――ブロックチェーンとの違いは？
ご存じない方のために説明すると、量子コンピューティングは「量子状態」を利用して、通常のスーパーコンピュータではほぼ不可能な、あるいは膨大な処理能力を要する論理問題を解決する独自の計算方式である。従来のスーパーコンピュータが順番に問題を一つずつ分析するのに対し、量子コンピュータは多数の潜在的な問題と解答を同時に分析できる。これらのコンピュータは量子物理学の力を活用して、間違った答えの候補を極めて高速で排除しつつ、正しい答えを驚異的なスピードで絞り込む。
現在のコンピュータは通常「古典的コンピュータ」と呼ばれ、それぞれのビットは1または0のいずれかの状態を持つが、両方同時にはならない。一方、量子コンピュータはビットではなく「量子ビット（キュービット）」で構成されており、「量子重ね合わせ」という現象により、キュービットは同時に両方の状態を持てる。さらに、従来のビットとは異なり、キュービットは「量子もつれ」と呼ばれるプロセスを通じて互いに影響を与え合い、全体として大きな量子状態を形成する。キュービットが一つ増えるごとに、コンピュータが取り得る状態の数は倍増し、古典的コンピュータと比較して圧倒的な計算能力を持つことになる。
高度に複雑な問題の解決に加え、量子コンピューティングには暗号世界を変える驚異的な可能性もある。量子物理と量子状態の性質上、特定の情報の状態は観測された瞬間に実際に変化してしまう。理論的には、このため量子暗号は真に破れないものになり得る。なぜなら、許可された当事者以外が（あるいは機械が）情報を覗き見ようとした場合、その情報の状態は不可逆的に変化してしまうためだ。しかし、量子コンピューティングが強力な暗号技術を生み出せるのと同様に、これまで解けなかった暗号を破ることも可能になるため、これはブロックチェーンの存在目的と潜在的に衝突する。
IBMなどの企業は現在、電気自動車向けの高エネルギー密度バッテリーの開発、炭素排出を削減する新材料の創出、宇宙の起源を明らかにする粒子の探索など、さまざまな課題に量子コンピュータを活用している。
量子コンピューティングと比べると、ブロックチェーンは分散型台帳技術の集合体と説明でき、暗号技術を使って一度ネットワーク上の複数のコンピュータ（ノードと呼ばれる）によって検証されたら事実上変更できない情報台帳を作成する。さまざまな合意形成メカニズムを通じて、分散ノードのネットワークが情報ブロックの「検証」に同意または不同意となり、それがブロックチェーンに追加される。ブロックチェーンは完全に古典的コンピューティングの領域に属しており、つまりある時点で一つの状態しか持たない。
業界が示しているように、ブロックチェーン技術はスマートコントラクトによる自動実行機能を通じて、暗号通貨、物流・記録管理プロトコル、金融商品など分散型アプリケーション（DApps）の作成に優れたツールである。これらには貸出、ステーキング、流動性マイニング、さらには分散型保険プロトコルなどが含まれる。
しかし、ネットワークの制約により、ブロックチェーンは高度な計算能力を必要とする問題の解決には必ずしも向いていない。実際、取引速度の遅さは現在のブロックチェーンにおける最大の課題の一つであり、新しいブロックチェーンはより高いTPS（秒あたり取引数）を実現するソリューションを競っている。一方、量子コンピューティングは科学技術分野の重大かつ難解な問題の解決に巨大な可能性を持つが、一般消費者が使うアプリケーションの構築には必ずしも適していない。
したがって、量子コンピューティングとブロックチェーンは大きく異なる二つの技術だが、その相互作用が両分野を永遠に変えてしまう可能性があると言える。
量子コンピューティングはブロックチェーンを破壊し、暗号通貨を終わらせるのか？
量子コンピューティングとブロックチェーンに関して最も懸念されているのは、量子コンピュータがブロックチェーン暗号を圧倒し、知られている安全な暗号通貨の終焉を招く可能性があることだ。もし量子暗号がブロックチェーン暗号を凌駕すれば、暗号業界全体が崩壊しなくても、大規模な暗号通貨盗難と重大な混乱が起こるだろう。
デロイトの調査によれば、一度の攻撃でビットコインの25%が盗まれる可能性があるという。2022年1月時点では約3000億ドルに相当し、暗号資産市場規模が今後も急激に拡大する中、量子コンピュータを利用した暗号ハッキングが最終的に兆単位のドルを盗む可能性があり、世界経済を混乱させ、ブロックチェーン自体を破壊する恐れもある。
具体的には、Shor関数と呼ばれる有名な理論的アルゴリズムが、量子コンピュータ上で実行されれば、現在楕円曲線乗算によって隠されている素因数を理論的に解ける可能性がある。
例えば、研究者らの計算によれば、古典的コンピュータは楕円曲線乗算を使用した公開鍵に関連付けられた秘密鍵を特定するために、340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456回の基本演算を必要とする。理論的には、これには数千年かかるかもしれない。
一方、同じ計算によれば、Shor関数を使った量子コンピュータはわずか2,097,152回の基本操作で公開鍵に対応する秘密鍵を特定できる。これは数時間で済む可能性がある。ただし、現時点では主流の量子コンピュータはShor関数を活用する能力を持っておらず、その機能がいつ完成するかも不明であることに注意が必要だ。
ブロックチェーン暗号の突破以外にも、量子コンピュータが従来のマイニング装置（ASICなど）に代わって暗号通貨のマイニングを行う可能性への懸念もある。理論的には、これらのコンピュータが従来の採掘装置よりも高速にマイニングできる場合、資産価格の不安定、51％攻撃、および採掘権の極端な集中化を引き起こす可能性がある。ただし、これは主にビットコインのような仕組みのプルーフ・オブ・ワーク（PoW）ブロックチェーンに関する懸念であり、ステークに基づく合意モデル（プルーフ・オブ・ステーク、PoS）には通常影響しない。環境問題などの理由から、イーサリアムなど多くのPoWブロックチェーンは、計算集約的なマイニングを伴わないPoSや他の合意モデルへ移行しつつある。
こうした計算や予測があるものの、すべての専門家が量子コンピューティングが効果的にブロックチェーンを破り、従来の暗号技術を陳腐化できると信じているわけではない。例えば、ビットコインで使われるSHA-256暗号は量子耐性を持つ可能性があると考える人もいる。仮に量子コンピュータが現在のブロックチェーン暗号を破ることができたとしても、それは10〜20年かかる可能性があり、その間ブロックチェーンの暗号研究者は新たな、より強力な暗号手法を開発する余裕がある。
さらに、楕円曲線暗号の一般的な代替であるRSA暗号も、ある程度の量子耐性を持つ可能性がある。従来の復号では楕円曲線暗号の方がRSAより安全とされるが、量子復号の観点では逆の可能性があると専門家は指摘している。また、RSAが最終的に「量子で解読可能」になったとしても、ソフトフォークや頻繁に変わるウォレットアドレスによって、量子コンピュータがブロックチェーンを破壊したり暗号通貨を盗んだりする実際の能力の大部分を緩和できる可能性がある。
量子コンピューティングは将来的にブロックチェーンと融合または強化できるのか？
一部の人々は量子コンピューティングが既知のブロックチェーンや暗号通貨を破壊するかもしれないと考えるが、他方で量子暗号がブロックチェーンと結合することで、今日のプロトコルよりも安全なブロックチェーンが作られると考える人もいる。理論的には、このようなブロックチェーンは従来のハッキングや量子コンピュータ攻撃に対して非常に強い耐性を持つだろう。
具体的には、非対称鍵アルゴリズムや前述の楕円曲線乗算を利用するハッシュ関数といった従来のブロックチェーン暗号方式を、量子鍵に置き換えられる可能性がある。
量子鍵暗号術、いわゆる量子鍵配送（QKD）は、光リンク上で光子の形で「量子粒子」を送信することで動作する。前述のように、第三者が転送中の光子を盗聴しようとした瞬間、その通信は無効になるとされる。
これを実用化するには、量子鍵をワンタイムパッド（OTP）暗号と併用する必要があり、鍵は一度しか使えないように生成される。
李春堂、徐寅松、唐嘉豪、劉文傑が『Quantum Computing Journal』に発表した論文『Quantum Blockchain: A Decentralized, Cryptographic, and Distributed Database Based on Quantum Mechanics』は、量子コンピューティングが将来のブロックチェーンに提供できる他の利点を詳細に述べている。特に、現在ブロックチェーンの主要な問題であるノード選択のランダム化について言及している。量子ブロックチェーンプロトコルは、現在のランダム化手法ではなく、量子乱数生成器を用いて検証者ノードを真正にランダムに選択できる。
この論文は、量子ブロックチェーンが、量子暗号を採用した新型の量子ビザンチン合意プロトコルで、従来のビザンチン合意プロトコルを置き換える可能性もあると主張している。これはまだ極めて理論的だが、51％攻撃の防止に役立ち、量子暗号に基づく新しい、極めて安全な暗号通貨の創出にもつながる可能性がある。
上記の多くは新しい量子ブロックチェーンの構築に言及しているが、量子技術は既存のブロックチェーンにも適用可能であり、ビットコイン、イーサリアム、ソラナなどの主要ブロックチェーンの分散性を高め、取引時間を短縮することもできる。
参考論文では触れられていないが、潜在的な未解決の問題として、量子コンピューティング機能（量子鍵生成を含む）がノード運営者間でどのように分配されるかという点がある。現在、ほとんどの量子コンピュータは極めて実験的で非常に高価であり、真に分散化されたブロックチェーンに必要な多数のノード運営者を確保するのは難しい。しかし、この状況は変わる可能性がある。中国の企業がわずか5,000米ドルの小型量子コンピュータを発売しており、これは完全なイーサリアムノードを運用する現在のコストをはるかに下回る。
抗量子レジャー（AQL）とは何か？
現時点で、完全に量子耐性を持つと主張するパブリックブロックチェーンプロジェクトは二つしかない。すなわち、抗量子レジャー（AQL）とビットコイン・ポストクアンタム（BPQ）である。抗量子レジャー（QRL）は「ステートフル署名スキームと比類ない安全性を持つポスト量子セキュアブロックチェーン」と自称している。
そのため、QRLプロトコルは「IETF指定のXMSS、最小限のセキュリティ仮定を持つ前向き安全署名スキーム（ハッシュベース）」を採用している。XMSSはMerkleツリーを利用する拡張Merkle署名スキームである。Merkleツリーとは、各ノードがデータブロックの暗号的ハッシュでラベル付けされた木構造のことだ。
Merkleツリーは「既存のブロックチェーンネットワーク内で、単一ブロックに含まれるすべての取引のハッシュを完全にまとめたもの」と定義できる。
Merkle署名のようなステートフルハッシュ署名スキームは、RSAや楕円曲線暗号よりも量子ハッカーに対して強い耐性を持つと考えられている。しかし、鍵が複数回使用された場合、XMSSのようなハッシュベースのステートフル署名スキームは攻撃に弱くなる可能性があり、これが他の暗号方式に比べて不利な点となる。
現在、米国国立標準技術研究所（NIST）のコンピュータセキュリティ資源センター（CSRC）は、民間および政府での利用における潜在的な長所と短所を評価するために、これらの暗号技術に関する研究とコメントを積極的に募集している。XMSSに加え、NISTは現在、近70種の「ポスト量子暗号（PQC）」新方式を評価中である。
抗量子レジャーは、自らの「拡張」Merkle署名スキームが従来のものよりも効率的で安全だと主張しているが、実際にそれを破る有効な量子コンピュータが存在しないため、これを証明するのは難しい。
独自のブロックチェーン開発に加えて、このグループは独自の暗号通貨（QRL）も発行しており、2022年1月時点での価格は0.20米ドル未満、時価総額は1400万米ドルを超える程度だった。基盤となるブロックチェーンと同様に、QRLの開発者らはこの暗号通貨自体が、最初の完全に量子ハッキング耐性を持つ通貨だと主張している。他の暗号通貨と同様に、QRLは単独のノードでも、またはマイニングプールの一員としても採掘可能である。
ビットコイン・ポストクアンタム（BPQ）とは何か？
人気のあるQRLプロジェクトに加えて、もう一つのブロックチェーンプロジェクト「ビットコイン・ポストクアンタム（BPQ）」も、量子コンピューティング攻撃から自身を守るために、ハッシュベースのステートフル拡張Merkle署名スキーム（XMSS）を使用していると主張している。具体的には、BPQはビットコインのメインブロックチェーンの実験的フォークであり、より伝統的な暗号技術の代わりに量子安全なデジタル署名を使用している。今後数年間でBPQが行う研究は、抗量子暗号技術をビットコインのメインネットワークに導入する基盤となる可能性がある。
QRLとは異なり、BPQは現在もっと研究段階にあり、計画されている通貨BitcoinPQはまだ採掘されていない。
量子コンピューティングとブロックチェーンの将来はどうなる？
量子コンピューティングとブロックチェーンの将来は極めて不確かであり、コンピュータサイエンスの未来を左右する決定的要因の一つになるかもしれない。ブロックチェーンはインターネットの民主化を助け、暗号通貨を生み出し、ビットコインやイーサリアムといった人気ブロックチェーンの形で世界最大の分散コンピュータネットワークを構築した。
一方、初期段階にある量子コンピューティングは、私たちが予測できない方法で技術を前進させながら、現代の最も影響力のある科学技術課題の多くを解決する可能性を持っている。もし量子コンピューティングとブロックチェーンが衝突すれば、それは史詩的な災難となるかもしれない。しかし、暗号技術がますます量子耐性を持つ新しい暗号方式を開発し続けたり、あるいは量子暗号自体がブロックチェーンに統合されたりすれば、これらの有望な技術の融合により、より安全で民主的なインターネットが実現し、世界にプラスの影響を与える可能性が高まるだろう。
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