ノーベル賞、量子もつれ、暗号資産

17 October 10:59

量子力学の原理で設計されたお金：

最近、量子力学が誇れるのは、2022年にノーベル物理学賞を受賞したことです。

「量子もつれ」の特性は、量子技術の研究開発におけるグローバルな競争において、欠かせない基盤となっています。

トラブルがあっても決断しない量子力学。今、私たちはこの文章の深い意味合いを考え直すべきかもしれません。

はじめに

量子もつれについて触れると、将来、量子マネーができる可能性について考えたことはありませんか。まだ先の話ですが、量子技術の不思議なベールの一角を開いてみるのも良い案です。暗号資産の世界の未来がそこに隠されているかもしれません。

量子マネーとは

量子マネーは、量子力学の原理に基づいて設計され、偽造できないお金を作るものです。このコンセプトは、量子鍵配布の開発にも一定の影響があります。

量子マネーは、貨幣の一形態です。量子力学の法則を利用することで、コピーされないと同時に、簡単に検証できます。これらの特性により、偽造の危険性がなく、通常の現金と同様に理想的な交換媒体です。

この考え方は、1970年に物理学者のスティーブン・ウィズナーによって初めて提唱されました。未知の量子状態を測定しようとすると、必然的に量子状態は破壊されてしまうという考え方です。一方、既知の量子状態を測定すると、その量子状態は保持されます。ウィズナーは、量子状態の詳細を秘密にすれば（たとえば、中央銀行が秘密にする）、この属性を利用して、量子貨幣の真正性を確保し、決してコピーされないことが保証できることに気付きました。

それ以来、量子マネーの考え方は非常に大きな影響力を持ち、多くの実験や量子暗号資産技術の基礎を形成し、量子マネープロトコルは、有効で準備可能なマネー状態、有効な公開認証、そして偽造不可能性を持つ必要があるということが日常化しました。

ノーベル賞と量子もつれ

最近、量子力学が胸を張れることは、2022年にノーベル物理学賞を受賞したことです。

10月4日、スウェーデン王立科学アカデミーは、2022年のノーベル物理学賞を「もつれた光子の実験、ベル不等式の違反の確立、量子情報科学の開拓」への貢献を認め、フランスの科学者アラン・アスペクト、アメリカの科学者ジョン・F・クラウザー、オーストリアの科学者アントン・ザイリンガーに授与すると発表しました。

前世紀初頭に量子力学が誕生して以来、トランジスタやレーザーなどの大発明が生まれ、科学界ではこれを第一次量子革命と呼んでいます。最近になって、量子コンピューティングや量子通信に代表される第二次量子革命が再び勃興しています。スウェーデン王立科学アカデミーは、今年の量子もつれ実験における3人の貢献について、「量子情報に基づく新しい技術への道を開いた」とノーベル賞速報で述べています。

量子もつれは、量子力学において長い間最も論争を呼んできた問題の1つです。量子もつれとは、量子力学的に不思議な現象です。2つの量子状態がどんなに離れていても、もつれた状態の間には相関があります。片方の量子状態が変化すると、もう片方の状態も瞬時に変化します。

長い間、アインシュタインに代表される一部の物理学者は、量子もつれに懐疑的で、アインシュタインはこれを「spooky action at a distance」と呼んでいました。彼らは、量子論は「不完全」であり、絡み合った粒子間には、人間が観測していない何らかの相互作用や情報伝達、すなわち「隠れた変数」が存在すると考えていました。

1960年代、物理学者ジョン・スチュワート・ベルは、量子力学の検証に利用できる「ベルの不等式」を提唱しました。ベルの不等式が常に成り立つ場合、量子力学は他の理論に取って代わられるかもしれないと考えたのです。

特殊な光をカルシウム原子に照射し、絡み合った光子を発生させ、その光子の偏光状態をフィルターで測定するという実験です。一連の測定を通じて、この実験結果がベルの不等式に反し、量子力学の予言と一致することを証明しました。

しかし、この実験には、粒子の発生と捕獲の効率が悪いこと、フィルターの角度が固定であることなどの限界がありました。これをもとに、フランスの科学者アラン・アスペクトが新しいバージョンの実験を考案し、測定効果が向上しました。アスペクトは、クラウザー実験の重要な抜け穴を埋め、非常に明確な結果をもたらしました。量子力学は正しく、「隠れた変数」は存在しないのです。

その後、オーストリアの科学者アントン・ザイリンガーが、ベルの不等式を検証するためにさらに実験を重ねました。そのうちの1つは、遠くの銀河からの信号を使って、信号同士が影響し合わないようにフィルターを制御する実験で、量子力学の正しさをさらに検証しました。また、ザイリンガー教授らは、量子もつれを利用して、ある粒子から別の粒子へ量子状態が移動する、量子テレポーテーションと呼ばれる現象を実証しました。彼のチームは、量子通信の分野でも多くの研究を進展させたのです。

ノーベル賞の公式発表では、「世界中の研究者が量子力学の強力な性質を利用する新しい方法を数多く発見しており、これらはすべて今年の受賞者3人の貢献によるものである」と述べられています。彼らはベル不等式などの「障害」を一掃し、「量子情報に基づく新しい技術への道を開いた」と多くの有名メディアで賞賛されました。

量子テクノロジーは暗号通貨を再定義できるか

「量子もつれ」の特性は、量子技術の研究開発において、グローバルな競争を勝ち抜くために不可欠な基盤となっています。代表的なのは、技術開発が著しい量子コンピューターです。たとえば、2019年、米グーグルは、最も高性能なスーパーコンピューターを使うのに10,000年かかるという問題を約3分で解決しました。

量子マネーは貨幣と呼ばれていますが、取引のたびに銀行による確認が必要なため、使い方は小切手に近いと言えます。各量子貨幣には固有の番号が印刷されているほか、2つの量子状態を持つ孤立した量子系が存在します。

リアルマネーに加え、量子マネーにも実現可能な方向性があります。ただし、他の一般的な暗号通貨（ビットコインなど）とは異なり、量子マネーはノンクローンの原則に従ってバックアップを取ることができません。妥協案としては、量子誤り訂正符号を使用し、お金を異なるパーツに分割して保存することです。お金の一部が破損した場合、エラーを復元できます。

銀行の検査に合格しなかった場合でも、それは偽札に違いないということではなく、本物のお金であっても、外部環境の影響で光子の偏向面が変化していたり、誤った基板で測定されていたり（偽札を作ろうとした人、壊れた貨幣検出器の可能性もある）することがありえるのです。

そのため、現在の量子マネーの方式では、検証作業を信頼できる機関（中央銀行など）で行わないと、量子状態の詳細が秘匿されてしまうという欠点があります。

しかし、ビットコインやイーサリアムといった分散型通貨の登場により、中央集権的な管理を必要としない通貨制度に人々の注目が集まっています。そこで今回の研究では、誰でも検証可能な量子マネーを作る方法を発見しました。それは、取引を安全に記録するためのブロックチェーンがなくても、量子マネーを完全に分散化することができるのです。

この新方式の安全性はポスト量子暗号化に由来し、量子コンピューターの攻撃にも対抗できるのです。

最も有力な問題は、ベクトル群で形成される多次元格子である「格子」という数学的な考え方に関わるものである。この格子の中の点は、長さの異なるベクトルで結ばれており、これらのベクトルは簡単に計算できる。しかし、格子の中で最短のベクトルを求めることは難しく、特に格子がランダムな場合は困難である。

1つは、ランダムな格子のすべての点間の距離を計算し、最終的に最短距離のベクトルを求める方法です。しかし、格子が大きくなったり、次元が増えたりすると、この問題は量子コンピューターでも解くことが困難になります。

本研究で提案する方法は、ランダムな格子を量子貨幣単位（原子配列でも可）の量子特性に符号化することです。この貨幣をコピーしようとする者は、このランダムな格子を再現しなければなりません。しかし、これは最短ベクトルが分かっている場合のみ可能であり、量子コンピューターでもこの作業はできません。

この実験での量子貨幣状態は、ガウス球上の状態の重ね合わせ（物体表面の各点のベクトルを球に写す）です。この理論実験は、資金の安全性が保証され、格子の量子状態が特定の性質を持つため、検証も容易で、誰でもテストできます。

最後に、「ガウス球」の実験結果は、コピーできないが確認が容易な物理システムを形成することになります。

「我々の貨幣状態は物理的で有形なので、有形だが偽造できない紙幣として使えるが、量子チャネルを通じてデジタルマネーとして送金することもできる」MITのアンドリー・ケシン氏らは、これらすべてが、買い手と売り手によって、取引記録なしに行われる、現在の普通の現金と同じだと述べています。「所有権の確認は、ブロックチェーンなどの仕組みでグローバルに同期することなく、ローカルかつオフラインで完結することができます」

しかし、上記の理論は実現可能ではあるものの、量子マネーを実現するために必要な技術は存在せず、ましてや市場で大規模に利用できるほどの技術もないため、その限界は理論的にしか論じられないことを認識する必要があります。

結論

「トラブルがあっても決断しない」量子力学。今、私たちはこの文章の持つ深い意味合いを考え直すべきかもしれません。

現在、「量子もつれ」が初めて存在することが証明され、正式に世界科学の舞台に立ち、将来の高速コンピューティングの基礎となります。量子研究の継続的な進展により、将来の金融リスク評価、ブロックチェーン、人工知能（AI）などの産業利用に、より多くのイノベーションと発展空間がもたらされることが期待されています。

ブロックチェーン分野における量子技術の有望な未来に期待しましょう。

執筆者　Gate.io オブザーバー、Byron B

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