【 量子論とは 】仮想通貨に出てくる量子系の話題がわかるようになる

「仮想通貨に関する情報でたまに出てくる量子耐性とかって一体なんなんだ〜」

 

そんな過去の自分へ向けて記事を書きます。この記事は理系ではない人間によって書かれています。そのため厳密なところで誤りも少なくないかと思います。

 

ただし、読んだ人が理解と概要をかんたんに把握できることを目的にしているので「こういう世界もあるんだね」くらいのスタンスで読むなら問題ないかと思います。

 

私自身、量子論と仮想通貨に関しては量子耐性のある仮想通貨のホワイトペーパーに触れた際に上から表面の知識をなぞった程度です。

ですのでとてもその辺の真面目に調べている人から見るととても比べられたものではありません。

 

ただ、だからこそ何も知らない人と同じ目線で記事がかけるというものだと思い、自分のアウトプットもかねて恐れも多いですが記事にさせていただきました。

この記事を読めば量子論の概要から仮想通貨に対する量子問題についてまで把握できるようになります。

 

そもそも量子論とは

量子論とは物理法則の一つです。今まで考えられてきたマクロの世界の物理法則では考えられない動きをします。

量子がどれだけ今まで考えられてきた物理法則と違った独特の動きをするのかわかる代表的な実験があります。

二重スリット実験です。

二重スリット（２つの穴）実験は、量子論の説明となるとどこでも登場しまくっているのでここでも軽〜く触れておきます。

この実験ではある程度はランダムな方向に電子を放ってくれる電子銃を使って、電子を２つ穴のあいた穴に通します。

 

電子は「粒」とされていますので、当然、穴の向こう側にある白壁には穴の先にしか電子は付着しないと考えられます。

図の「電子は粒の痕跡を残す」とは粒のような動きだったことがわかる証拠を残してくれるという意味ですね。

実際に電子銃を定位置にしてから電子を放ってみます。それを“人の目”を通して確認すると、やはり上の図のように穴の先を通って白壁に付着していく跡ができました。

ですが、これを“人の目”を通さずに電子銃を放ってもらうと、電子は「波」の痕跡を残すようになります。

人が観測しないでいると波動が描く痕跡と同じものが残ります。つまり、人が観測すると意識した時点で「粒」の振る舞いになり、人が観測を意識しなければ「波」の振る舞いになるのが量子論の世界です。

このようにマクロの世界ではとうてい考えられない動きをやっちゃってしまうのが量子の世界です。

 

二重スリットの超わかりやすい動画はクオンタム先生の二重スリット実験の動画です。

英語を理解できなくても映像を見るだけでわかります。

波の痕跡の説明が意味不明だわ〜と思った人は見てみてください。

 

この性質を説明できる数式を生み出していこう！とするのが「量子力学」の世界です。「量子論」は理論から思想や考え方までを指します。

 

量子論の観測すると「波」から「粒」へと振る舞いが変わってしまう性質は、素因数分解のような計算に対して応用できると考えられています。

量子コンピューターでは従来のパソコンが苦手としていた計算を高速に処理できるようにしてくれるとしてグーグルやIBMをはじめとして研究が盛んに行われています。

 

量子とは

量子論が観測するか、しないかで振る舞いを変えるもので、かつ原子や電子といったミクロなものを扱う分野であることはわかったとして、”量子”とはそもそもどういった存在なのでしょうか。

一言でいえば、“量子”とは「小さな単位量」のことを指します。

 

原子や電子は個別の名称といえますが、量子は「小さな単位量」のことになります。ですので”量子”は原子や電子を含みますが、そうしたものの一種ではないということですね。

 

この”量子”は「小さな単位量」であるとする考え方はドイツの物理学者プランクにより提唱されました。

電磁波の分野では光は電磁波の１種というのはうろ覚えの人もいるかもしれません。

電磁波は振動数に応じて赤外線や紫外線、X線と分類されます。

 

電磁波の世界では光ももちろん「波」として扱われていました。その電磁波に「粒」という「小さな単位量」を持ち込んだのがプランクです。

 

この「粒」には最小サイズが存在して、最小サイズを基本としてサイズを変えていきます。

例えば簡略化して説明すると、最小サイズが２であれば、次の大きさは４、６、８と段階式に大きくなっていきます。不連続に大きくなっていくことがわかっていました。

 

プランク自身も「波」である電磁波に「粒」を持ち込んでしまっただけに”量子”を発見した後も釈然としないままだったそうです。（量子は粒であるとは直接的に言及はしなかったそうですが。）

 

「小さな単位量」である量子をもう少し私たちに理解しやすい言い方に変えると「不連続の量のひとかたまり」とも言えます。

 

量子論の起源

量子論の発祥はデンマークのコペンハーゲンのニールス・ボーア研究所からだったそうです。

しかし最初に公にされたのは先ほどの量子を発見したプランクがベルリンで発表した1900年12月だそうです。

 

重複しますが、量子論は物理法則の一つです。

現実世界でも応用されていて、例えばパソコンやスマホなどの電化製品で必ず使われている半導体は量子論が生かされている代表分野です。

 

古典力学では通用しない世界

古典力学とは自動車や電車の動きなどを予想する際に使う計算方法で、ニュートンが生み出した計算が代表的です。

しかし素粒子や原子のような人間の目には見えないミクロな世界では古典力学が通用しません。マクロの世界からすると奇妙な動きになるのがミクロの世界です。

 

ミクロな世界は0.1マイクロ以下（1000万分の1以下）のサイズの世界を指すことが多いです。

 

そんなマクロの常識が通用しないミクロな世界を計算するために「量子論」は研究されてきました。

 

※「量子論」はミクロの計算だけに当てはまるとする、コペンハーゲン解釈があります。

しかし量子論の考え方はマクロの世界にも当てはまるとする考え方もありお互いの解釈は矛盾しています。実際に例外は超伝導などでも確認されていますし、逆に量子論では説明のつかないマクロのこともたくさんあります。

しかし量子論に対する２つの解釈はどちらも矛盾を抱えながら、どちらも解釈としての正しさがあります。したがって２つの解釈を同時に捉えながら考えないといけないのが「量子論」だそうです。

 

身近な「量子論」で考えられる事柄として太陽エネルギーがあります。

太陽エネルギーの核融合反応は量子論で説明ができるんですね。

 

自然がもつあいまいさを示す量子論

量子論では「不確定性原理」という言葉が出てきます。

 

「不確定性原理」とは、ある物質に対する”位置”と”運動量”を測定するとき、同時に値を確定できないことです。

すなわち、”位置”の値をとれば”運動量”に不確かさが残り、”運動量”の値をとれば”位置”の不確かさが残ります。

 

常に不確かな値が残ってしまうので、これも量子の性質でありこの性質が自然のあいまいさを量子論が示してくれていると考えられています。

 

不確かさから逃れられないというのは、いままでのニュートンからはじまった全ての物質の動きは予測できるものとする決定論とはまるで違う考え方になります。

 

相対性理論と量子論の関係

相対性理論で有名なアインシュタインですが、アインシュタインも量子論には苦しめられてきました。

「神はサイコロを好まない」という有名なセリフがありこのアインシュタインの姿勢でもあったのですが、量子論を５０年に渡って展開しておきながらも不気味な振る舞いを見せる量子世界には死ぬまで懐疑的でした。

 

実は相対性理論と量子論はお互いに相性の悪い理論だと言われております。

 

シュレーディンガーの方程式

シュレーディンガーの猫という言葉は一度だけでも聞いたことがある人も多いかと思います。

猫と原子が分裂すると作動する毒ガス（いつ作動するのか分からない）を一緒にブラックボックスへ入れて、蓋をすると、観測されるまでは猫の生死は50%となり観測されていない猫は生きてもいるし、死んでもいるという「重なり合い」状態になっているという実験です。

 

そのシュレーディンガーの方程式には波動関数「Ψ（プサイ）」が用いられます。うろ覚えの人もいるかもしれません。

シュレーディンガーの方程式は「量子力学」ではマストな方程式です。量子論をきちんと理解したくなった際は方程式を理解すると良いでしょう。

 

量子コンピューターとは

量子コンピューターとは量子力学を用いたコンピューターになります。

 

従来のコンピューターが「０」と「１」の組み合わせを高速に処理することで命令を出していました。

量子論の場合は観測者がいない場合は「重ね合わせ」が生じるので「０」でもあるし「１」の２つの状態の可能性を合わせ持っています。

 

そのため単純計算を行う場合は「重ね合わせ」で瞬時に計算を行える量子コンピューターは無数にある答えの中から正解を導き出すような類の計算に強いといえます。

（より詳しくいえば多項式時間での素因数分解や離散対数などの処理が得意です。）

 

量子コンピューターでビットコインの秘密鍵を盗めるのか

仮想通貨（暗号通貨）の話でも量子コンピュータが出てきて、量子耐性を売りにした仮想通貨も少なくありません。

2019年の段階で存在している最高の量子コンピューターは１００量子ビットに満たないものと言われており、一説によるとビットコインをハッキングするには１５００量子ビットが必要なそうです。

 

必要な量子ビットを無視して、もし、仮にビットコインの公開鍵（もしくはアドレス）から秘密鍵を盗む場合はSHA-256のハッシュ関数を逆算するか、電子署名の手法から計算して当たりを見つけるかのどちらかになると考えられます。

どちらも現状では困難なようです。もちろん量子ビットのアルゴリズムをうまく活用すれば別の方法もあるのかもしれませんが可能性は低そうです。

 

ちなみに、ビットコインで用いられている電子署名（秘密鍵や公開鍵の話し）の手法に、ECDSA（楕円曲線電子署名アルゴリズム）が用いられています。

これはRSAと呼ばれる暗号化アルゴリズムの容量を小さくしたようなものと言われているそうなのですが、RSAの場合でも暗号化を解くためには地球上にあるバクテリア細胞の半数くらいのパターンの中から正解を導き出さなくてはならないそうです。

これだけの計算量をビットコインがAアドレスからBアドレスまでの送金されるおおよそ１０分間の時間内に計算しなくてはなりません。

 

ですので量子コンピューターを用いたビットコインのハッキングは今の段階ではとても難しいと思われます。（実際にやるとした場合はショアのアルゴリズムと呼ばれる手法を用いる）

 

仮に１５００量子ビットの量子コンピューターをお金さえ払えば作れるとします。

しかし経済合理性を考えると、発展途上の高性能な量子コンピュータを揃える費用より高性能な従来のパソコンをかき集めて計算能力を高めたほうが処理能力は高いかもしれません。

 

結論としては量子コンピューターがビットコインをハッキングできるポテンシャルはありますが、2019年の最大量子ビットを持ったコンピューターであってもハッキングはできません。

したがって今後、高性能で安価になれば量子耐性のない仮想通貨のハッキングは可能となりますが現状は脅威と捉えなくても良いと考えます。

 

日本で生まれた量子アニーリング

量子コンピューターとは別に量子アニーリングと呼ばれる量子コンピューターをもっと作りやすくするためのアイデアがあります。

今後は量子コンピュータと日常で使う際は量子アニーリングを指すようになるかもしれません。

 

量子暗号の世界

いつ実用化されるのかわかりませんが、今のビットコインをハッキングできるほど量子コンピューターが発展したら量子暗号が現実世界で活用されていくかと思われます。

量子暗号とは、量子の「重なり合い」の性質を生かした暗号になります。

 

簡単にいえば、秘密鍵の値が観測されていない状態で保持されていて、いざ秘密鍵をハッキングされて盗まれてしまって、パスワードは観測された状態に変わってしまうため、犯人が秘密鍵を盗んでも使えないということができてしまうそうです。

私もまだよく理解できていません笑

 

ただし、仮想通貨の未来では当たり前になっているかもしれません。

量子暗号を先取りした仮想通貨がホワイトペーパーに現れたら「重なり合い」を生かした暗号化なんだね、くらいに思っておけばOKかと思います。

 

量子論の世界をアニメで知るならシュタインズゲートがおすすめ

シュタインズゲートはストーリーも良く、画も良く、opとedも神なのに途中でやめちゃう人が周りに多すぎる。
確かに序盤はよく分からないかもしれないが見ていく内にそれが分かっていくのが楽しいのに
あぁ、これがシュタインズゲートの選択なのか pic.twitter.com/6Y7Fk31ggi

— チョチョ (@Pj7aReW1GSF2BSj) 2019年1月22日

シュタインズゲートは主人公、岡部倫太郎がタイムリープ（過去へ記憶を持ち帰られる）マシーンをラボメンと開発してなんどもタイムトラベルを繰り返し収束される運命に抗うパラレルワールドの物語です。

 

ジョンタイターと呼ばれる実際にネット上で物議を醸したタイムトラベラーを題材にしており、「重ね合い」の世界観を味わうことができます。

ストーリーではアルファ世界線、ベータ世界線、シュタインズゲート世界線の３つの時間軸の中で抗うことになります。

 

作品の中では直接的に量子論についての話はありませんが、原子の話題とは切り離せないヒッグス粒子を発生させたCERNも登場しているので間接的には色々と関連するところがあります。

 

話が進んでいくたびにシリアスな展開になっていくので途中から見ている方も絶望を感じてしまいました。

（普段アニメを見ない人にはとっつきにくいかもしれませんが急展開するとこまでは粘って欲しいです）

 

シュタインズゲートに関しては熱狂なファン？が詳しく考察をしてくれていたりするので作品を見たあとに自分で記事を調べて、裏設定まで知るとよくできているなーと感心するかと思います。（AmazonPrime会員で全話見れる）

 

書籍で量子論を知りたい

量子論は理系の大学生が学ぶ内容になっていますが、市販のテキストなどを読めば高校生の数学的な知識から入り口の部分は理解できるようになっています。

 

書籍なら「量子論を楽しむ本」がよいと思います。KindleUnlimitedで無料で読めます。

図解で知りたい人は「Newton なるほどよく分かる 量子論」がおすすめです。

 

量子論とは まとめ

 

仮想通貨と量子世界（主に量子暗号など）との関わりについては私も今後もチェックしていきたいので今後も理解を深めたいと思います。

もし、仮想通貨のブロックチェーンについて詳しくしりたい、という人はいればブロックチェーンとは ~やさしく仕組みを覚えて仮想通貨を楽しむ~を読んで見てください。