Γιατί η εκπληκτική φυσική των κβαντικών υπολογιστών είναι τρομακτική για το bitcoin και τα κρυπτονομίσματα

Αυτή την εβδομάδα, η Google δημοσίευσε μια εργασία που περιγράφει πώς ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε θεωρητικά να εξάγει ένα ιδιωτικό κλειδί bitcoin σε 9 λεπτά, με επιπτώσεις που εκτείνονται στο Ethereum, άλλα tokens, ιδιωτικές τραπεζικές υπηρεσίες και ενδεχομένως σε όλα στον κόσμο.

Η κβαντική υπολογιστική είναι εύκολο να παρεξηγηθεί ως μια ταχύτερη έκδοση ενός κανονικού υπολογιστή. Αλλά δεν είναι ένα πιο ισχυρό chip ή μια μεγαλύτερη φάρμα διακομιστών. Είναι ένα θεμελιωδώς διαφορετικό είδος μηχανής, διαφορετικό στο επίπεδο του ίδιου του ατόμου.

Ένας κβαντικός υπολογιστής ξεκινά με έναν πολύ κρύο, πολύ μικρό βρόχο μετάλλου όπου τα σωματίδια αρχίζουν να συμπεριφέρονται με τρόπους που δεν συμπεριφέρονται υπό κανονικές συνθήκες στη Γη, τρόπους που αλλάζουν αυτό που θεωρούμε ως βασικούς κανόνες της φυσικής.

Η κατανόηση του τι σημαίνει αυτό, φυσικά, είναι η διαφορά μεταξύ του να διαβάζεις για την κβαντική απειλή και να την κατανοείς πραγματικά.

Πώς λειτουργούν πραγματικά οι υπολογιστές και οι κβαντικοί υπολογιστές

Οι κανονικοί υπολογιστές αποθηκεύουν πληροφορίες ως bits — το καθένα είναι είτε 0 είτε 1. Ένα bit είναι ένας μικροσκοπικός διακόπτης. Φυσικά, είναι ένα transistor σε ένα "chip" — μια μικροσκοπική πύλη που είτε επιτρέπει την διέλευση ηλεκτρισμού (1) είτε όχι (0).

Κάθε φωτογραφία, κάθε συναλλαγή bitcoin, κάθε λέξη που έχετε πληκτρολογήσει αποθηκεύεται ως μοτίβα αυτών των διακοπτών που είναι ανοιχτοί ή κλειστοί. Δεν υπάρχει τίποτα μυστηριώδες για ένα bit· είναι ένα φυσικό αντικείμενο σε μία από τις δύο συγκεκριμένες καταστάσεις.

Κάθε υπολογισμός είναι απλώς η ανακατανομή αυτών των 0 και 1 πολύ γρήγορα. Ένα σύγχρονο chip μπορεί να κάνει δισεκατομμύρια από αυτούς ανά δευτερόλεπτο, αλλά εξακολουθεί να τους κάνει έναν κάθε φορά, σε ακολουθία.

Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κάτι που ονομάζεται qubits αντί για bits. Ένα qubit μπορεί να είναι 0, 1, ή — και αυτό είναι το παράξενο μέρος — και τα δύο ταυτόχρονα!

Αυτό είναι δυνατό καθώς ένα qubit είναι ένα εντελώς διαφορετικό είδος φυσικού αντικειμένου. Η πιο κοινή έκδοση, και αυτή που χρησιμοποιεί η Google, είναι ένας μικροσκοπικός βρόχος υπεραγώγιμου μετάλλου που ψύχεται σε περίπου 0,015 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, πιο κρύος από το διάστημα αλλά εδώ στη Γη.

Σε αυτή τη θερμοκρασία, ο ηλεκτρισμός ρέει μέσα από τον βρόχο χωρίς καμία αντίσταση, και το ρεύμα λέγεται ότι υπάρχει σε κβαντική κατάσταση.

Στον υπεραγώγιμο βρόχο, το ρεύμα μπορεί να ρέει δεξιόστροφα (ας το ονομάσουμε 0) ή αριστερόστροφα (ας το ονομάσουμε 1). Αλλά σε κβαντικές κλίμακες, το ρεύμα δεν χρειάζεται να επιλέξει μια κατεύθυνση και στην πραγματικότητα ρέει και στις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα.

Μην το μπερδεύετε με την εναλλαγή μεταξύ των δύο πολύ γρήγορα. Το ρεύμα είναι μετρήσιμα, πειραματικά και επαληθεύσιμα και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα.

Φυσική που καμπυλώνει το μυαλό

Μας ακολουθείτε μέχρι εδώ; Υπέροχα, γιατί εδώ γίνεται πραγματικά παράξενο, επειδή η φυσική πίσω από το πώς λειτουργεί δεν είναι άμεσα διαισθητική, και δεν υποτίθεται ότι είναι.

Όλα όσα κάποιος αλληλεπιδρά στην καθημερινή ζωή υπακούουν στην κλασική φυσική, η οποία υποθέτει ότι τα πράγματα βρίσκονται σε ένα μέρος τη φορά. Αλλά τα σωματίδια δεν συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο στην υποατομική κλίμακα.

Ένα ηλεκτρόνιο δεν έχει μια συγκεκριμένη θέση μέχρι να το κοιτάξετε. Ένα φωτόνιο δεν έχει μια συγκεκριμένη πόλωση μέχρι να το μετρήσετε. Ένα ρεύμα σε έναν υπεραγώγιμο βρόχο δεν ρέει σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση μέχρι να το αναγκάσετε να επιλέξει.

Ο λόγος που δεν το βιώνουμε αυτό στην καθημερινή ζωή είναι η αποσυνοχή. Όταν ένα κβαντικό σύστημα αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του, μόρια αέρα, θερμότητα, δονήσεις και φως, η υπέρθεση καταρρέει σχεδόν ακαριαία.

Μια μπάλα ποδοσφαίρου δεν μπορεί να βρίσκεται σε δύο μέρη ταυτόχρονα επειδή αλληλεπιδρά με τρισεκατομμύρια μόρια αέρα, σκόνη, ήχο, θερμότητα, βαρύτητα κ.λπ., κάθε νανοδευτερόλεπτο. Αλλά απομονώστε ένα μικροσκοπικό ρεύμα σε ένα κενό κοντά στο απόλυτο μηδέν, προστατέψτε το από κάθε πιθανή διαταραχή, και η κβαντική συμπεριφορά επιβιώνει αρκετό καιρό για να υπολογίσετε μαζί της.

Γι' αυτό οι κβαντικοί υπολογιστές είναι τόσο δύσκολο να κατασκευαστούν. Οι άνθρωποι σχεδιάζουν φυσικά περιβάλλοντα όπου οι νόμοι της φυσικής που κανονικά εμποδίζουν αυτά τα πράγματα να συμβούν κρατούνται σε απόσταση για αρκετό καιρό ώστε να εκτελεστεί ένας υπολογισμός.

Οι μηχανές της Google λειτουργούν σε ψυγεία αραίωσης στο μέγεθος τεράστιων δωματίων, πιο κρύα από οτιδήποτε στο φυσικό σύμπαν, περιτριγυρισμένα από στρώματα θωράκισης κατά του ηλεκτρομαγνητικού θορύβου, των δονήσεων και της θερμικής ακτινοβολίας.

Και τα qubits είναι εύθραυστα ακόμα και τότε. Χάνουν την κβαντική τους κατάσταση συνεχώς, γι' αυτό η "διόρθωση σφαλμάτων" κυριαρχεί σε κάθε συζήτηση για την επέκταση.

Έτσι η κβαντική υπολογιστική δεν είναι μια ταχύτερη έκδοση της κλασικής υπολογιστικής. Εκμεταλλεύεται ένα διαφορετικό σύνολο φυσικών νόμων που ισχύουν μόνο σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες, εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και εξαιρετικά σύντομα χρονικά πλαίσια.

Τώρα στοιβάξτε το.

Δύο κανονικά bits μπορούν να είναι σε μία από τις τέσσερις καταστάσεις (00, 01, 10, 11), αλλά μόνο μία τη φορά (καθώς το ρεύμα ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση). Δύο qubits μπορούν να αντιπροσωπεύουν και τις τέσσερις καταστάσεις ταυτόχρονα, καθώς το ρεύμα ρέει προς όλες τις κατευθύνσεις ταυτόχρονα.

Τρία qubits αντιπροσωπεύουν οκτώ καταστάσεις. Δέκα qubits αντιπροσωπεύουν 1.024. Πενήντα qubits αντιπροσωπεύουν πάνω από ένα τετράκις εκατομμύριο. Ο αριθμός διπλασιάζεται με κάθε qubit που προστίθεται, γι' αυτό η κλιμάκωση είναι τόσο εκθετική.

Το δεύτερο τέχνασμα είναι κάτι που ονομάζεται περιπλοκή. Όταν δύο qubits είναι περιπλεγμένα, η μέτρηση του ενός σας λέει αμέσως κάτι για το άλλο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι. Αυτό επιτρέπει σε έναν κβαντικό υπολογιστή να συντονιστεί σε όλες αυτές τις ταυτόχρονες καταστάσεις με τρόπο που η κανονική παράλληλη υπολογιστική δεν μπορεί.

Και αυτοί οι κβαντικοί υπολογιστές είναι δομημένοι έτσι ώστε οι λανθασμένες απαντήσεις να ακυρώνονται μεταξύ τους (όπως τα επικαλυπτόμενα κύματα που ισιώνουν) και οι σωστές απαντήσεις να ενισχύουν η μία την άλλη (όπως τα κύματα που στοιβάζονται ψηλότερα). Στο τέλος του υπολογισμού, η σωστή απάντηση έχει τη μεγαλύτερη πιθανότητα να μετρηθεί.

Άρα δεν πρόκειται για ωμή ταχύτητα. Είναι μια θεμελιωδώς διαφορετική προσέγγιση στον υπολογισμό — μία που επιτρέπει στη φύση να εξερευνήσει έναν εκθετικά μεγάλο χώρο δυνατοτήτων και στη συνέχεια να καταρρεύσει στη σωστή απάντηση μέσω της φυσικής παρά της λογικής.

Μια μνημειώδης απειλή για την κρυπτογραφία

Αυτή η φυσική που καμπυλώνει το μυαλό είναι ο λόγος που είναι τρομακτική για την κρυπτογράφηση.

Τα μαθηματικά που προστατεύουν το bitcoin βασίζονται στην υπόθεση ότι ο έλεγχος κάθε πιθανού κλειδιού θα χρειαζόταν περισσότερο χρόνο από την ηλικία του σύμπαντος.

Αλλά ένας κβαντικός υπολογιστής δεν ελέγχει κάθε κλειδί. Τα εξερευνά όλα ταυτόχρονα και χρησιμοποιεί παρεμβολή για να αναδείξει το σωστό.

Εκεί δένει με το Bitcoin. Προς μία κατεύθυνση, από ιδιωτικό κλειδί σε δημόσιο κλειδί, χρειάζεται χιλιοστά του δευτερολέπτου. Προς την άλλη κατεύθυνση, από δημόσιο κλειδί πίσω σε ιδιωτικό κλειδί, θα χρειαζόταν έναν κλασικό υπολογιστή ένα εκατομμύριο χρόνια, ή ακόμα και περισσότερο από την ηλικία του σύμπαντος. Αυτή η ασυμμετρία είναι το μόνο πράγμα που αποδεικνύει ότι ένα άτομο κατέχει τα κέρματά του.

Ένας κβαντικός υπολογιστής που εκτελεί έναν αλγόριθμο που ονομάζεται Shor's μπορεί να περάσει από αυτή την παγίδα αντίστροφα. Η εργασία της Google αυτή την εβδομάδα έδειξε ότι θα μπορούσε να το κάνει με πολύ λιγότερους πόρους από ό,τι υπολόγιζε κανείς προηγουμένως, και σε ένα χρονικό πλαίσιο που ανταγωνίζεται τις ίδιες τις επιβεβαιώσεις μπλοκ του bitcoin.

Αυτός είναι ο λόγος που η απειλή των κβαντικών υπολογιστών που σπάνε την κρυπτογράφηση blockchain προκαλεί πραγματικά μεγάλη ανησυχία σε όλους.

Πώς λειτουργεί αυτή η επίθεση βήμα προς βήμα, τι άλλαξε συγκεκριμένα η εργασία της Google και τι σημαίνει για τα 6,9 εκατομμύρια bitcoin που είναι ήδη εκτεθειμένα, είναι το θέμα του επόμενου κομματιού σε αυτή τη σειρά.