Цього тижня Google опублікувала роботу, яка описує, як квантовий комп’ютер теоретично міг би вивести біткоїн-приватний ключ за 9 хвилин, з наслідками, що простягаються до Ethereum, інших токенів, приватного банкінгу та потенційно — до всього в світі.
Квантові обчислення легко сплутати з швидшою версією звичайного комп’ютера. Але це не більш потужний чип чи більша серверна ферма. Це принципово інший тип машини — інший навіть на рівні атома.
Квантовий комп’ютер починається з дуже холодного, дуже маленького металевого контуру, де частинки починають поводитися так, як вони не поводяться за нормальних умов на Землі — способами, що змінюють те, що ми вважаємо базовими правилами фізики.
Розуміння того, що це означає фізично, — це різниця між читанням про квантову загрозу та справді вловленням її.
Як працюють комп’ютери та квантові комп’ютери
Звичайні комп’ютери зберігають інформацію як біти — кожен є або 0, або 1. Біт — це крихітний перемикач. Фізично це транзистор на “чипі” — мікроскопічний затвор, який або пропускає електрику (1), або не пропускає (0).
Кожне фото, кожна транзакція з біткоїном, кожне слово, яке ти колись вводив, зберігається як шаблони, де ці перемикачі ввімкнені або вимкнені. У біта немає нічого загадкового; це фізичний об’єкт в одному з двох чітко визначених станів.
Кожен розрахунок — це просто дуже швидке перетасовування цих 0 і 1. Сучасний чип може робити їх по мільярду за секунду, але все одно робить їх по одному за раз, у послідовності.
Квантові комп’ютери використовують те, що відоме як кубіти, замість бітів. Кубіт може бути 0, 1 або — і це дивне — і те, й інше одночасно!
Це можливе, тому що кубіт — це зовсім інший тип фізичного об’єкта. Найпоширеніша версія, і та, яку використовує Google, — це крихітний контур із надпровідного металу, охолоджений приблизно до 0.015 градуса вище абсолютного нуля — холодніше, ніж космос, але тут, на Землі.
За такої температури електрика протікає через контур без жодного опору, і кажуть, що струм існує в квантовому стані.
У надпровідному контурі струм може текти за годинниковою стрілкою (назвімо це 0) або проти годинникової стрілки (назвімо це 1). Але на квантових масштабах струм не мусить обирати один напрям — він тече в обох напрямах одночасно.
Не сприймайте це за перемикання між двома варіантами дуже швидко. Струм вимірювано, експериментально та перевірювано перебуває в обох станах одночасно.
(CoinDesk)
Приголомшлива фізика
Поки що з нами? Чудово, бо ось де починається справді дивне, адже фізика того, як це працює, не є очевидною одразу, і так і не має бути.
Усе, з чим людина взаємодіє щодня, підкоряється класичній фізиці, яка припускає, що речі перебувають в одному місці в один і той самий час. Але частинки не поводяться так на субатомному рівні.
Електрон не має визначеного положення, доки ви не подивитеся на нього. Фотон не має визначеної поляризації, доки ви не виміряєте його. Струм у надпровідному контурі не тече в певному напрямі, доки ви не змусите його вибрати.
Причина, чому ми цього не відчуваємо в повсякденному житті, — декогеренція. Коли квантова система взаємодіє з навколишнім середовищем — молекулами повітря, теплом, вібраціями та світлом — суперпозиція руйнується майже миттєво.
Футбольний м’яч не може бути у двох місцях одночасно, бо він взаємодіє з трильйонами молекул повітря, пилом, звуком, теплом, гравітацією тощо щосекунди. Але ізолюйте крихітний струм у вакуумі, близькому до абсолютного нуля, захистіть його від будь-яких можливих збурень, і квантова поведінка збережеться достатньо довго, щоб обчислювати.
Ось чому квантові комп’ютери так важко створити. Люди інженерять фізичні середовища, де закони фізики, які зазвичай заважають цьому відбуватися, відсуваються на задній план рівно настільки довго, щоб виконати обчислення.
Машини Google працюють у дилюційних холодильниках розміром із величезні кімнати, холодніших за будь-що в природному Всесвіті, оточених шарами захисту від електромагнітного шуму, вібрацій і теплового випромінювання.
І навіть тоді кубіти крихкі. Вони постійно втрачають свій квантовий стан, через що “корекція помилок” домінує в кожній розмові про масштабування.
Отже квантові обчислення — це не швидша версія класичних обчислень. Це використання іншого набору фізичних законів, які застосовуються лише на надзвичайно малих масштабах, на надзвичайно низьких температурах і в надзвичайно коротких часових проміжках.
(CoinDesk)
Тепер “складіть” це.
Два звичайні біти можуть бути в одному з чотирьох станів (00, 01, 10, 11), але лише в одному за раз (бо струм тече лише в одному напрямі). Два кубіти можуть представляти всі чотири стани одночасно, адже струм тече в усіх напрямах у той самий час.
Три кубіти представляють вісім станів. Десять кубітів представляють 1,024. П’ятдесят кубітів представляють понад квадрильйон. Кількість подвоюється з кожним доданим кубітом, тому масштабування таке експоненціальне.
Друга хитрість — це щось, що називається заплутаністю. Коли два кубіти заплутані, вимірювання одного миттєво повідомляє спостерігачу щось про інший — незалежно від того, як далеко вони рознесені. Це дає змогу квантовому комп’ютеру координуватися по всіх цих одночасних станах так, як звичайні паралельні обчислення не можуть.
І ці квантові комп’ютери налаштовані так, щоб неправильні відповіді скасовували одна одну (як хвилі, що накладаються та вирівнюються) і щоб правильні відповіді підсилювали одна одну (як хвилі, що “накладаються” й стають вищими). Наприкінці обчислення правильна відповідь має найвищу ймовірність бути виміряною.
Отже це не груба “швидкість”. Це принципово інший підхід до обчислень — такий, який дозволяє природі дослідити експоненційно великий простір можливостей, а потім “стиснутися” до правильної відповіді завдяки фізиці, а не логіці.
Монументальна загроза для криптографії
Саме через цю приголомшливу фізику шифрування стає жахливо вразливим.
Математика, що захищає біткоїн, спирається на припущення, що перевірка кожного можливого ключа триватиме довше, ніж вік Всесвіту.
Але квантовий комп’ютер не перевіряє кожен ключ. Він досліджує їх усі одночасно й використовує інтерференцію, щоб вивести на поверхню правильний.
Саме тут це пов’язується з Біткоїном. Рух в одному напрямі — від приватного ключа до публічного — займає мілісекунди. Рух в іншому напрямі — від публічного ключа назад до приватного — зайняв би класичному комп’ютеру мільйон років, або навіть довше за вік Всесвіту. Така асиметрія — єдине, що доводить, що людина тримає свої монети.
(CoinDesk)
Квантовий комп’ютер, який працює алгоритмом під назвою Shor, може пройти через цей “прихований замок” у зворотному напрямі. Робота Google цього тижня показала, що він здатен зробити це з набагато меншими ресурсами, ніж будь-хто раніше оцінював, і в часових рамках, що переганяють підтвердження блоків самого біткоїна.
Ось чому реальна загроза того, що квантові комп’ютери зламають шифрування блокчейну, справді змушує хвилюватися всіх.
Як працює ця атака покроково, що саме змінилося в роботі Google, і що це означає для 6.9 мільйона біткоїнів, які вже оприлюднені, — тема наступного матеріалу в цій серії.
