量子コンピューティング研究における2つのマイルストーン — 誤り訂正効率の大幅な向上と、拡張に関する基本的な仮定の初めての実験的検証 — により、今後10年程度で実用可能な量子コンピュータが製造される見込みが大きく変わったと、Bitcoin Magazineの最新印刷版「The Quantum Issue」に寄稿したShinobiが述べている。普及や容易なアクセスが保証されているわけではなく、近い将来に実用機が登場する可能性も軽視できないと筆者は警告する。

量子コンピュータがBitcoinネットワークに現実的な脅威をもたらすかをめぐる議論は、10年以上にわたって続けられてきた。この問いの根源にあるのはBitcoinのセキュリティの仕組みである。資金の送付には楕円曲線デジタル署名が必要であり、これは十分な能力を持つ量子コンピュータ上でShorのアルゴリズムが原理的に破れる可能性のある種類の数学的問題だ。一方、マイニングを支えるSHA-256ハッシュは、Groverのアルゴリズムがもたらすのが2乗オーダーの高速化に限られるため、はるかに耐性が高いとされている。この話題は、Shinobiが初めてBitcoinを知った13年以上前から真剣に議論されていた。それ以来理論と実際のエンジニアリングの両面で大きな進歩があった。これは必ずしもこの技術が普及に至ること、あるいは大規模な資本を持つ者にとってさえ比較的容易にアクセス可能になることを意味しない。しかし、近い将来に複数の実用機が製造される可能性は十分にあり得る。

誤り訂正の改良

最初の大きな改良は誤り訂正の分野で生まれた。このような極小スケールでの作業に伴う固有のノイズに対処するため、実際の計算に有用な論理量子ビットを得るには、複数の冗長な物理量子ビットを使用する必要がある。

従来の最先端の手法は「表面符号（surface codes）」だった。これは複数の物理量子ビットをグリッド状に束ね、その一部をチェック量子ビットとして使用し、定期的に隣接量子ビットを「点検」して重ね合わせに内部エラーが発生していないことを確認する（重ね合わせを崩壊させずに）方式である。各グリッドの空きスペースはチェック量子ビットで埋める必要がある。

このチェック量子ビットの要件は、論理量子ビット1個あたり合計1,000個近くの物理量子ビットを必要とする追加のオーバーヘッドを生み、しかもチェック量子ビットはすぐ隣の量子ビットしか点検できないため、スケールが大きくなると問題が悪化する。したがって、すべての量子ビット群には等間隔でチェッカーを配置する必要がある。

量子低密度パリティ検査（qLDPC）符号はこのボトルネックを解消し、チェック量子ビットがデバイス上の離れた場所にある他の量子ビットを点検できるようにする。これは、チップの各セクション間で通信するために織り込まれた配線トレースによるか、あるいは中性原子設計のように原子を物理的に移動させることによる。これにより、信頼性の高い論理量子ビット1個を生み出すのに必要な物理量子ビットの数が10分の1に削減された。

Bitcoinの脅威モデルにとって、このオーバーヘッド比率こそが核心である。楕円曲線署名に対してShorのアルゴリズムを実行できるマシンは、信頼性の高い論理ビットから構成される必要があり、それぞれが消費する物理量子ビットの数が、必要となるハードウェアの規模を大きく左右する。これは決して見過ごせる向上ではない。完全に機能するマシンがさらなる効率化に向けて進歩しているわけではないかもしれないが、完全に機能する量子コンピュータの製造を支えるエンジニアリングプロセスにおける、実質的な効率向上を意味する。

基本的原理の実証における進歩

2つ目のマイルストーンは、より根本的な問題に関するものである。すなわち、物理量子ビットを追加するとシステム全体のノイズが増加ではなく減少につながるという主張が、実際に成立するのかどうかだ。現時点ではこれは依然として主に理論であり、今日に至るまで、古典コンピュータには実行できない計算をエンドツーエンドで実行した、完全に機能する量子コンピュータは存在したことがないという点を念頭に置く必要がある。

Googleは、Sycamore（および後のWillow）チップを用いた実験で、物理量子ビットを追加する効果を実験的に検証した。両者は超伝導プロセッサであり、qLDPCの研究が取り組む物理的なレイアウト制約を持つ、同じ広範なハードウェアファミリーに属し、原子を物理的に移動させて長距離のエラー検査を行う中性原子設計と競合している。非常に明確にしておくと、これは計算の実演ではなく、単に情報をメモリに劣化なく保持できることの実演であった。

17個の物理量子ビットの束、49個の束、101個の束から構成される論理量子ビットを用いて、Googleは物理量子ビット数が増えるにつれて論理エラー率 — データ破損の頻度 — が低下することを実証した。このテストは重要な閾値を超えた。独立した物理量子ビットから作られた論理量子ビットが、その構成要素であるどの個々の物理量子ビットよりも長くコヒーレンスを維持したのである。

繰り返すが、これは古典機械には実行できない計算を行う、完全に機能する量子コンピュータへの跳躍ではない。しかし、量子コンピュータの根底にある基本的仮定の1つを実証する上での、実質的な進歩である。

AI

この問題領域でより良い解決策が見出されつつあるのは、これだけではない。人工知能（AI）がこれらのシステムの大きな構成要素となっている。AIは、量子コンピュータからの情報の読み取りとデードというプロセス自体に使われており、これは大規模に量子コンピュータを実際に活用する上での大きなボトルネックである。

AIは、こうした種類のマシン向けに最適化された新しい量子アルゴリズムの開発にも活用されている。近年、AIが数学の分野の主要な問題の解決（あるいは既存の予想の反証さえも）に貢献する事例が相次いでいることを考えれば、AIによる大きなブレークスルーの可能性を検討するのは決して突飛な発想ではない。

AIは、異なるアーキテクチャを用いて構築される物理的な量子回路の設計にも同じように活用されている。これは実際ところかなり複雑な問題である。量子レベルのノイズを最小化するよう量子ゲートを物理空間に最適に配置しつつ、空きスペースが多すぎてレイテンシや非効率などの新たな問題を持ち込まないようにする必要があるのだ。

これは、必要とされる根本的問題の解決に向けた進歩を大きく加速させる要因になり得る。

今後の展望

結局のところ、筆者の見解では、これは1つの問いに帰着する。物理量子ビットを追加すればノイズが減少するという仮定は、計算や量子情報の能動的な操作においても実際に成立するのか、ということだ。

その仮定が成立し、近い将来に実験的に反証されないのであれば、今後10年以内に実用可能な量子コンピュータが製造されるというのは非常に現実的なシナリオだと筆者は考えている。この問題には膨大なリソースが投入されており、問題の一部分ずつを解決する大きな（ただし圧倒的ではない）進歩が見られる。そして、根本的に何かを成し遂げる方法が存在するならば、人類は通常、それを見つけ出すものだ。

この不確実性はBitcoinに特有のものではない。より広範なセキュリティ業界はすでに長期的リスクに対応し始めている。2024年、米国国立標準技術研究所（NIST）は最初の耐量子暗号標準を確定し、大規模な量子コンピュータが脅かしうる公開鍵アルゴリズムの代替を承認した。分野を追跡する読者にとって、近い将来の指標は明快である。論理量子ビットの束がエラー率の低下とともに拡張を続けるか、そして実験が量子情報の保持から能動的な計算へと進むか — これこそまさに、筆者が未解決の問いとして指摘する閾値である。

メッセージは、今すぐパニックになるべきだということではない。しかし、この可能性を軽視してはならない。

本稿は、Bitcoin Magazineの最新印刷版「The Quantum Issue」に掲載されており、号全体で掘り下げられるテーマの先行公開として紹介するものである。初出は Bitcoin Magazine、著者はShinobi。