BloQBench: A Blockchain Benchmarking Framework for Quantum Supremacy

コンピュータが、通常のスーパーコンピュータでは宇宙の年齢よりも長い時間をかけても解けないようなパズルを解けるほど強力になっていく世界を想像してみてください。これは、量子コンピューティングという、エキサイティングで、かつ少し恐ろしい未開の領域です。量子コンピュータを、あなたのノートパソコンの高速版としてではなく、通常の手段では解読不可能とされるロックを瞬時に開けることができる「魔法の鍵」として考えてみてください。科学者たちが投げかけている大きな疑問は、「量子コンピュータが実際にこれを行ったことを、どうすれば確実に知ることができるのか？」という点です。

通常、誰かが「やったぞ！」と主張するとき、彼らはただそう言うだけで、私たちは彼らを信じるしかありません。しかし、科学においては、信頼だけでは不十分であり、証拠が必要です。問題は、もしパズルが通常のコンピュータにとって解くのが難しすぎる場合、その答えを検証することさえも通常のコンピュータには難しくなってしまうことです。それは、頭の中で迷路を解かせた後、その人が不正をしていないかを確認しようとしているのに、あなたには迷路が見えない、というようなものです。この論文は、まさにその問題に取り組んでいます。つまり、「通常のコンピュータには偽造が不可能でありながら、信頼できる第三者を必要とせずに、それが本物であることを簡単に証明できるテストを、どのようにして作成するか？」という問題です。

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デジタル・ハニーポット：BloQBench

この論文の著者であるニコラス・J.C. パパドプロスとラミン・アヤンセダは、BloQBenchと呼ばれるデジタルな罠を構築しました。ブロックチェーン（誰もがすべてを見ることができる、変更不可能な巨大な公開台帳のようなもの）と呼ばれるグローバルネットワーク上に置かれた、巨大で公開された宝箱を想像してください。この箱にはお金が入っていますが、119個の、非常に複雑な異なるロックによって施錠されています。

ここにあるのは手品です。この箱を作った本人でさえ、これらのロックの組み合わせを知ることはできません。ロックは、事前に計算された秘密が存在しないことを保証する手法を用いて、その場で生成するコンピュータプログラム（「スマートコントラクト」）によって生成されます。これは、ボタンを押すたびにユニークで解けない謎解きをランダムに印刷する自動販売機のようなもので、その機械自体は、謎を印刷した直後にその答えを忘れてしまいます。

課題は何でしょうか？ ロックは整数分解に基づいています。平たく言えば、これは巨大で混乱した数字を取り出し、それを構成するために掛け合わされた2つの小さな素数を見つけ出すことを意味します。通常のコンピュータにとって、これはケーキを「逆再生」して、使われた正確な卵や小麦粉を特定しようとするようなもので、非常に困難です。しかし、量子コンピュータにとっては、特別なアルゴクスを使用することで、材料が混ざり合う前の状態を見るタイムマシンのように機能します。

ゲームプラン：仕組み

プロセスは、ひねりの効いた高額賞金付きのゲームショーのように設定されています。

1. セットアップ： スマートコントラクトが119個の「ロック」を生成します。各ロックは4,608ビット（膨大な数字）の数字で構成されています。コントラクトは、通常のコンピュータがこれらすべてのロックを解ける確率が10億分の1になるように設計されています。目的は、少なくとも1つのロックが、通常のコンピュータにとっては真に不可能であることを確実にすることです。
2. 賞金（バウンティ）： コントラクトには賞金が入っています。論文では、パズルを解くためのコストをカバーするために、最低でも800,000,000 ガス（Ethereumネットワークでの取引に使用される通貨）を提案しています。現在のガス単価が1ユニットあたり23.8 Gweiであれば、これは約19.04 ETHになります。
3. レース： 誰でもロックを解くことができます。もしあなたが量子コンピュータ（あるいは、スーパーコンピュータを持つ非常に運の良い天才）を持っていれば、素因数分解を試みることができます。
4. 不正防止策： 他人の答えを盗むのを防ぐため、システムは「コミット・リビール（約束と公開）」スキームを使用しています。まず、答えをデジタル封筒（ハッシュ）の中に閉じ込め、1日間待たなければなりません。その1日の後、封筒を開けて答えを公開します。これにより、悪意のある者があなたの答えを見て、あなたが賞金を請求する前にそれを盗んでしまう「フロントランニング」を防ぎます。
5. 勝利： もしロックを解いた場合、コントラクトはそのロックを「解決済み」とマークします。もし最後の最も難しいロックを解いたなら、あなたは賞金全体を獲得し、ブロックチェーン上の巨大なフラグが「TRUE（真）」へと切り替わります。このフラグこそが、量子超越性が達成されたという否定できない証拠となります。

なぜこれが重要なのか：自動スイッチ

BloQBenchの最も素晴らしい点は、単にお金があることではありません。フラグが切り替わったときに何が起こるかです。現在、ブロックチェーンはあなたの資産を守るために「古典的」なセキュリティ（RSAやECDSAなど）を使用しています。これらは、量子コンピュータが登場してそれらを打破するまでは安全です。

論文は、BloQなしでは、BloQBenchが自動的なトリガーとして機能することを提案しています。あなたの銀行口座に安全装置があると想像してください。 「量子フラグ」がFalse（偽）である限り、銀行は高速で安価な古典的セキュリティを使用します。しかし、誰かがパズルを解いてフラグを「TRUE（真）」に切り替えた瞬間、システムは自動的に新しい「量子耐性」のあるセキュリティシステム（Lamport署名と呼ばれるものを使用）へと切り替わります。

これは極めて重要です。なぜなら、新しい量子耐性のあるセキュリティは、使用するための速度が遅く、コストも高いためです。もし早すぎるタイミングで切り替えれば、お金を無駄にし、すべてを遅らせてしまいます。逆に、切り替えが遅すぎれば、資産が盗まれてしまいます。BloQBenchは、脅威が現実のものとして証明された「まさにその瞬間」を待ち、その後、瞬時にスイッチを切り替えることでこれを解決します。

論文が除外したもの

著者たちは、自分たちが「やっていないこと」についても非常に慎重に記述しています。彼らは以下の他のアイデアを明確に排除しました。

• 信頼できる生成者の排除： 人間や企業がパズルを生成するというアイデアを拒否しました。もし人間がパズルを作るなら、その人が自分自身で解くための「バックドア」を隠し持つ可能性があり、それでは証明としての価値が損なわれるからです。
• 「位数探索（Order-Finding）」の排除： 彼らは「位数探索」と呼ばれる別の種類の数学パズルも検討しましたが、それはブロックチェーンへのデプロイコスト（60億ガス以上）が、彼らの因数分解法（約2億3,700万ガスのコスト）に比べて高すぎると判断しました。
• 検証不可能なパズルの排除： 「サンプリング問題」（コンピュータがランダムなパターンを生成するもの）も検討しましたが、これらは実行は難しいものの、正解であることを証明することも難しいことが分かりました。パターンが正しいかどうかを簡単にチェックできないため、公開された証明としては機能しません。

結論

この論文は、量子コンピュータがすでに世界を打ち負かしたと主張しているわけではありません。むしろ、それが起きたときにそれを証明するためのフレームワークとツール（BloQBench）を提供しています。彼らはコントラクトを構築し、テストを行い、それが機能することを示しました。彼らは、1つのロックを解くための検証コストは約6,110,290 ガスであり、119個すべてを解くためのコストは約741,048,802 ガスであることを算出しました。

著者らは、このシステムが「調整可能な勾配」を生み出すと示唆しています。量子パワーの初期兆候を検知するためにロックをより簡単に設定することもできますし、RSAのような世界で最も有名な暗号規格を破ることができる瞬間を待つために、彼らが選んだ4,608ビットのロックのように、極めて難しく保つことも可能です。

要するに、BloQBenchは、信頼を必要としない、公開された自動的なレフェリーです。量子コンピュータが舞台に上がるのを待ち、パズルを解き、そして瞬時にスイッチを切り替えて私たちのデジタル世界を守ります。これには、誰の信頼も必要ありません。量子超越性のレースを、明確な勝者と保証されたセーフティネットを持つゲームへと変えるのです。