暗号資産（仮想通貨）と量子コンピューターの脅威について考える
はじめに
暗号資産（仮想通貨）は、分散型台帳技術であるブロックチェーンを基盤とし、従来の金融システムに代わる新たな可能性を秘めていると注目を集めています。しかし、その安全性は、暗号技術に依存しており、特に公開鍵暗号方式の脆弱性が懸念されています。近年、急速に発展を遂げている量子コンピューターは、この公開鍵暗号方式を根本から覆す可能性を秘めており、暗号資産の安全性に深刻な脅威をもたらすと考えられています。本稿では、暗号資産の基礎、量子コンピューターの原理、そして量子コンピューターが暗号資産にもたらす脅威について詳細に検討し、その対策について考察します。
暗号資産（仮想通貨）の基礎
暗号資産は、暗号技術を用いて取引の安全性を確保し、中央銀行のような管理主体を必要としないデジタル資産です。ビットコインを始めとする多くの暗号資産は、公開鍵暗号方式を基盤としています。この方式では、公開鍵と秘密鍵のペアを用いて、データの暗号化と復号化を行います。公開鍵は誰でも入手可能ですが、秘密鍵は所有者のみが知っています。取引を行う際には、秘密鍵を用いてデジタル署名を作成し、その署名を公開鍵で検証することで、取引の正当性を確認します。
暗号資産の取引は、ブロックチェーンと呼ばれる分散型台帳に記録されます。ブロックチェーンは、複数のブロックが鎖のように連結されたものであり、各ブロックには取引データが含まれています。ブロックチェーンは、ネットワークに参加する多数のノードによって共有され、改ざんが極めて困難な構造となっています。この分散性と改ざん耐性が、暗号資産の信頼性を支える重要な要素となっています。
量子コンピューターの原理
従来のコンピューターは、ビットと呼ばれる0または1の状態を持つ情報単位を用いて計算を行います。一方、量子コンピューターは、量子ビット（qubit）と呼ばれる量子力学的な状態を用いることで、0と1の状態を同時に表現することができます。この重ね合わせという特性により、量子コンピューターは従来のコンピューターでは困難な複雑な計算を高速に実行することが可能になります。
量子コンピューターのもう一つの重要な特性は、エンタングルメント（量子もつれ）です。エンタングルメントとは、複数の量子ビットが互いに相関し合う現象であり、一方の量子ビットの状態を観測すると、瞬時にもう一方の量子ビットの状態が決定されます。このエンタングルメントを利用することで、量子コンピューターは並列計算を効率的に行うことができます。
量子コンピューターは、ショアのアルゴリズムやグローバーのアルゴリズムなど、特定の計算問題を従来のコンピューターよりも大幅に高速に解くことができるアルゴリズムを搭載しています。これらのアルゴリズムは、暗号資産の安全性に深刻な脅威をもたらす可能性があります。
量子コンピューターが暗号資産にもたらす脅威
暗号資産の安全性は、公開鍵暗号方式に依存していますが、ショアのアルゴリズムを用いることで、量子コンピューターは公開鍵暗号方式を効率的に解読することができます。具体的には、RSA暗号や楕円曲線暗号（ECC）などの広く利用されている公開鍵暗号方式は、量子コンピューターによって容易に解読される可能性があります。
RSA暗号は、大きな数の素因数分解の困難さを利用した暗号方式です。しかし、ショアのアルゴリズムを用いることで、量子コンピューターは大きな数の素因数分解を高速に実行することができます。ECCは、楕円曲線上の離散対数問題の困難さを利用した暗号方式ですが、ショアのアルゴリズムを用いることで、量子コンピューターは離散対数問題を高速に解くことができます。
暗号資産の取引において、秘密鍵が漏洩した場合、その秘密鍵に対応する公開鍵を用いて送金された暗号資産は盗まれる可能性があります。量子コンピューターによって公開鍵暗号方式が解読されると、秘密鍵が漏洩するリスクが高まり、暗号資産の安全性が脅かされます。
また、ブロックチェーンの改ざん耐性も、量子コンピューターによって脅かされる可能性があります。ブロックチェーンの各ブロックには、ハッシュ関数と呼ばれる関数を用いて生成されたハッシュ値が含まれています。ハッシュ関数は、入力データが少しでも異なると、出力されるハッシュ値が大きく変化する特性を持っています。量子コンピューターは、グローバーのアルゴリズムを用いることで、ハッシュ関数の衝突（異なる入力データに対して同じハッシュ値が出力される現象）を見つけることができる可能性があります。ハッシュ関数の衝突を見つけることができれば、ブロックチェーンの改ざんが可能になる可能性があります。
量子コンピューターに対する対策
量子コンピューターの脅威に対抗するためには、量子耐性暗号（post-quantum cryptography）と呼ばれる新たな暗号方式の開発と導入が不可欠です。量子耐性暗号は、量子コンピューターによって解読されることのない数学的な問題に基づいた暗号方式であり、格子暗号、多変数多項式暗号、符号ベース暗号、ハッシュベース暗号など、様々な種類があります。
米国国立標準技術研究所（NIST）は、量子耐性暗号の標準化プロジェクトを進めており、2022年には、標準化候補となる暗号方式を選定しました。これらの暗号方式は、今後、暗号資産のセキュリティプロトコルに組み込まれることが期待されます。
また、暗号資産のセキュリティを強化するためには、秘密鍵の管理体制を強化することも重要です。秘密鍵を安全に保管するために、ハードウェアセキュリティモジュール（HSM）やマルチシグネチャなどの技術を活用することができます。HSMは、秘密鍵を安全に保管するための専用のハードウェアであり、マルチシグネチャは、複数の秘密鍵を用いて取引を承認する仕組みです。
さらに、ブロックチェーンの改ざん耐性を強化するためには、ハッシュ関数の種類を変更したり、ブロックチェーンのコンセンサスアルゴリズムを改良したりすることも有効です。例えば、SHA-3などの量子耐性ハッシュ関数を使用したり、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）などのコンセンサスアルゴリズムを採用したりすることで、ブロックチェーンのセキュリティを向上させることができます。
今後の展望
量子コンピューターの開発は、まだ初期段階にありますが、その進歩は目覚ましいものがあります。今後、量子コンピューターの計算能力が向上するにつれて、暗号資産の安全性に対する脅威はますます高まることが予想されます。そのため、量子耐性暗号の開発と導入を加速させ、暗号資産のセキュリティを強化するための対策を講じることが急務です。
また、量子コンピューターの技術を活用して、暗号資産のセキュリティを向上させる可能性もあります。例えば、量子鍵配送（QKD）と呼ばれる技術を用いることで、安全な鍵交換を実現することができます。QKDは、量子力学の原理に基づいて鍵を配送するため、盗聴を検知することができ、安全な通信を保証することができます。
暗号資産と量子コンピューターの関係は、複雑かつ多岐にわたります。量子コンピューターは、暗号資産の安全性に対する脅威であると同時に、そのセキュリティを向上させるための新たな可能性も秘めています。今後の技術開発の動向を注視し、適切な対策を講じることで、暗号資産の安全性を確保し、その健全な発展を促進していくことが重要です。
まとめ
本稿では、暗号資産（仮想通貨）と量子コンピューターの脅威について考察しました。暗号資産は、公開鍵暗号方式を基盤としていますが、量子コンピューターの登場により、その安全性が脅かされる可能性があります。量子コンピューターは、ショアのアルゴリズムを用いることで、RSA暗号やECCなどの公開鍵暗号方式を効率的に解読することができます。また、グローバーのアルゴリズムを用いることで、ブロックチェーンの改ざん耐性を脅かす可能性があります。
量子コンピューターの脅威に対抗するためには、量子耐性暗号の開発と導入が不可欠です。米国NISTは、量子耐性暗号の標準化プロジェクトを進めており、標準化候補となる暗号方式を選定しました。これらの暗号方式は、今後、暗号資産のセキュリティプロトコルに組み込まれることが期待されます。また、秘密鍵の管理体制を強化したり、ブロックチェーンの改ざん耐性を強化したりすることも重要です。
暗号資産と量子コンピューターの関係は、複雑かつ多岐にわたります。今後の技術開発の動向を注視し、適切な対策を講じることで、暗号資産の安全性を確保し、その健全な発展を促進していくことが重要です。
