Dlaczego zawrotna fizyka obliczeń kwantowych jest przerażająca dla bitcoina i kryptowalut

W tym tygodniu Google opublikował artykuł opisujący, jak komputer kwantowy mógłby teoretycznie wyprowadzić klucz prywatny bitcoina w 9 minut, z konsekwencjami sięgającymi Ethereum, innych tokenów, bankowości prywatnej i potencjalnie wszystkiego na świecie.

Łatwo pomylić obliczenia kwantowe z szybszą wersją zwykłego komputera. Ale to nie jest mocniejszy chip ani większa farma serwerów. To fundamentalnie inny rodzaj maszyny, różny na poziomie samego atomu.

Komputer kwantowy zaczyna się od bardzo zimnej, bardzo małej pętli metalu, gdzie cząstki zaczynają zachowywać się w sposób, w jaki nie zachowują się w normalnych warunkach na Ziemi, w sposób, który zmienia to, co uważamy za podstawowe zasady fizyki.

Zrozumienie, co to oznacza fizycznie, to różnica między czytaniem o zagrożeniu kwantowym a faktycznym jego pojmowaniem.

Jak naprawdę działają komputery i komputery kwantowe

Zwykłe komputery przechowują informacje jako bity — każdy jest albo 0, albo 1. Bit to mały przełącznik. Fizycznie jest to tranzystor na „chipie" — mikroskopijną bramka, która albo przepuszcza prąd (1), albo nie (0).

Każde zdjęcie, każda transakcja bitcoinowa, każde słowo, które kiedykolwiek napisałeś, jest przechowywane jako wzorce tych przełączników będących włączonymi lub wyłączonymi. Nie ma nic tajemniczego w bicie; jest to obiekt fizyczny w jednym z dwóch określonych stanów.

Każde obliczenie to po prostu bardzo szybkie przetasowywanie tych 0 i 1. Nowoczesny chip może wykonać miliardy z nich na sekundę, ale nadal robi je po jednym, w kolejności.

Komputery kwantowe używają czegoś znanego jako kubity zamiast bitów. Kubit może być 0, 1 lub — i to jest dziwna część — oboma jednocześnie!

Jest to możliwe, ponieważ kubit jest zupełnie innym rodzajem obiektu fizycznego. Najbardziej powszechna wersja, ta którą używa Google, to mała pętla nadprzewodzącego metalu schłodzona do około 0,015 stopnia powyżej zera absolutnego, zimniejsza niż przestrzeń kosmiczna, ale tutaj na Ziemi.

Przy tej temperaturze elektryczność przepływa przez pętlę bez żadnego oporu, a prąd jest w stanie kwantowym.

W pętli nadprzewodzącej prąd może płynąć zgodnie z ruchem wskazówek zegara (nazwij to 0) lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (nazwij to 1). Ale w skali kwantowej prąd nie musi wybierać jednego kierunku i faktycznie płynie w obu kierunkach jednocześnie.

Nie myl tego z bardzo szybkim przełączaniem między nimi. Prąd jest mierzalnie, eksperymentalnie i weryfikowalnie w obu stanach jednocześnie.

Oszałamiająca fizyka

Na razie z nami? Świetnie, bo tutaj robi się naprawdę dziwnie, ponieważ fizyka stojąca za tym, jak to działa, nie jest od razu intuicyjna i nie powinna być.

Wszystko, z czym ktoś wchodzi w interakcje w codziennym życiu, przestrzega fizyki klasycznej, która zakłada, że rzeczy są w jednym miejscu w jednym czasie. Ale cząstki nie zachowują się w ten sposób w skali subatomowej.

Elektron nie ma określonej pozycji, dopóki na niego nie spojrzysz. Foton nie ma określonej polaryzacji, dopóki go nie zmierzysz. Prąd w pętli nadprzewodzącej nie płynie w określonym kierunku, dopóki nie zmusisz go do wyboru.

Powodem, dla którego nie doświadczamy tego w codziennym życiu, jest dekoherencja. Kiedy układ kwantowy wchodzi w interakcję ze swoim środowiskiem, cząsteczkami powietrza, ciepłem, wibracjami i światłem, superpozycja zapada się niemal natychmiast.

Piłka nożna nie może być w dwóch miejscach jednocześnie, ponieważ wchodzi w interakcję z bilionami cząsteczek powietrza, pyłu, dźwięku, ciepła, grawitacji itp., co nanosekundę. Ale wyizoluj mały prąd w próżni bliskiej zera absolutnego, osłoń go od każdego możliwego zakłócenia, a zachowanie kwantowe przetrwa wystarczająco długo, aby z nim obliczyć.

Dlatego komputery kwantowe są tak trudne do zbudowania. Ludzie projektują środowiska fizyczne, w których prawa fizyki, które normalnie uniemożliwiają wystąpienie tego, są powstrzymywane wystarczająco długo, aby przeprowadzić obliczenie.

Maszyny Google działają w chłodnicach dyspersyjnych wielkości ogromnych pomieszczeń, zimniejszych niż cokolwiek w naturalnym wszechświecie, otoczonych warstwami ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, wibracjami i promieniowaniem cieplnym.

A kubity są kruche nawet wtedy. Ciągle tracą swój stan kwantowy, dlatego „korekcja błędów" dominuje każdą rozmowę o skalowaniu.

Więc obliczenia kwantowe nie są szybszą wersją obliczeń klasycznych. To wykorzystywanie innego zestawu praw fizycznych, które mają zastosowanie tylko w skrajnie małych skalach, skrajnie niskich temperaturach i skrajnie krótkich ramach czasowych.

Teraz zestaw to.

Dwa zwykłe bity mogą być w jednym z czterech stanów (00, 01, 10, 11), ale tylko w jednym na raz (ponieważ prąd płynie tylko w jednym kierunku). Dwa kubity mogą reprezentować wszystkie cztery stany jednocześnie, ponieważ prąd płynie we wszystkich kierunkach w tym samym czasie.

Trzy kubity reprezentują osiem stanów. Dziesięć kubitów reprezentuje 1 024. Pięćdziesiąt kubitów reprezentuje ponad biliard. Liczba podwaja się z każdym dodanym kubitem, dlatego skalowanie jest tak wykładnicze.

Druga sztuczka to coś, co nazywa się splątaniem. Kiedy dwa kubity są splątane, pomiar jednego natychmiast mówi obserwatorowi coś o drugim, bez względu na to, jak daleko są od siebie. To pozwala komputerowi kwantowemu koordynować się we wszystkich tych równoczesnych stanach w sposób, którego zwykłe obliczenia równoległe nie mogą.

A te komputery kwantowe są skonfigurowane tak, że złe odpowiedzi znoszą się nawzajem (jak nakładające się fale, które się spłaszczają), a prawidłowe odpowiedzi wzmacniają się nawzajem (jak fale, które układają się wyżej). Pod koniec obliczeń prawidłowa odpowiedź ma najwyższe prawdopodobieństwo zmierzenia.

Więc to nie jest brutalna siła prędkości. To fundamentalnie inne podejście do obliczeń — takie, które pozwala naturze zbadać wykładniczo dużą przestrzeń możliwości, a następnie zapada się do właściwej odpowiedzi poprzez fizykę, a nie logikę.

Monumentalne zagrożenie dla kryptografii

Ta oszałamiająca fizyka jest powodem, dla którego jest to przerażające dla szyfrowania.

Matematyka chroniąca bitcoina opiera się na założeniu, że sprawdzenie każdego możliwego klucza zajęłoby dłużej niż wiek wszechświata.

Ale komputer kwantowy nie sprawdza każdego klucza. Bada je wszystkie jednocześnie i używa interferencji, aby wydobyć właściwy.

To właśnie tutaj wiąże się z Bitcoinem. Podążanie w jednym kierunku, od klucza prywatnego do klucza publicznego, zajmuje milisekundy. Podążanie w drugim kierunku, od klucza publicznego z powrotem do klucza prywatnego, zajęłoby klasycznemu komputerowi milion lat, a nawet dłużej niż wiek wszechświata. Ta asymetria jest jedyną rzeczą dowodzącą, że osoba trzyma swoje monety.

Komputer kwantowy uruchamiający algorytm zwany Shora może przejść przez tę pułapkę w odwrotnym kierunku. Artykuł Google w tym tygodniu pokazał, że można to zrobić przy znacznie mniejszych zasobach niż ktokolwiek wcześniej szacował i w ramach czasowych, które ścigają się z własnymi potwierdzeniami bloków bitcoina.

Dlatego zagrożenie łamania szyfrowania blockchain przez komputery kwantowe naprawdę bardzo wszystkich martwi.

Jak ten atak działa krok po kroku, co konkretnie zmieniło artykuł Google i co to oznacza dla 6,9 miliona bitcoinów już narażonych, jest tematem następnej części tej serii.