Чому приголомшлива фізика квантових обчислень жахає bitcoin та криптовалюти

Цього тижня Google опублікував статтю, в якій описується, як квантовий комп'ютер теоретично може отримати приватний ключ Bitcoin за 9 хвилин, з наслідками, які поширюються на Ethereum, інші токени, приватний банкінг і потенційно на все у світі.

Квантові обчислення легко помилково прийняти за швидшу версію звичайного комп'ютера. Але це не потужніший чіп і не більша серверна ферма. Це принципово інший тип машини, інший на рівні самого атома.

Квантовий комп'ютер починається з дуже холодної, дуже маленької петлі металу, де частинки починають поводитися так, як вони не поводяться за звичайних умов на Землі, способами, які змінюють те, що ми вважаємо основними правилами фізики.

Розуміння того, що це означає фізично, є різницею між читанням про квантову загрозу та її справжнім усвідомленням.

Як насправді 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 "чіпі" — мікроскопічні ворота, які або пропускають електрику (1), або ні (0).

Кожна фотографія, кожна Bitcoin транзакція, кожне слово, яке ви коли-небудь набирали, зберігається як шаблони цих перемикачів у стані увімкнено або вимкнено. У біті немає нічого таємничого; це фізичний об'єкт в одному з двох визначених станів.

Кожне обчислення — це просто дуже швидке переміщення цих 0 і 1. Сучасний чіп може виконувати мільярди таких операцій на секунду, але він все одно виконує їх по одній, послідовно.

Квантові комп'ютери використовують щось відоме як кубіти замість бітів. Кубіт може бути 0, 1 або — і це дивна частина — обома одночасно!

Це можливо, оскільки кубіт є абсолютно іншим типом фізичного об'єкта. Найпоширеніша версія, і та, яку використовує Google, це крихітна петля надпровідного металу, охолоджена приблизно до 0,015 градуса вище абсолютного нуля, холодніша за космічний простір, але тут на Землі.

При цій температурі електрика протікає через петлю без жодного опору, і вважається, що струм існує в квантовому стані.

У надпровідній петлі струм може протікати за годинниковою стрілкою (назвемо це 0) або проти годинникової стрілки (назвемо це 1). Але на квантових масштабах струм не повинен вибирати один напрямок і фактично протікає в обох напрямках одночасно.

Не плутайте це з дуже швидким перемиканням між двома станами. Струм вимірно, експериментально та перевірено знаходиться в обох станах одночасно.

Приголомшлива фізика

Поки що з нами? Чудово, тому що ось де це стає справді дивним, тому що фізика того, як це працює, не є інтуїтивно зрозумілою, і не повинна бути такою.

Все, з чим людина взаємодіє в повсякденному житті, підкоряється класичній фізиці, яка передбачає, що речі знаходяться в одному місці в один час. Але частинки не поводяться таким чином на субатомному рівні.

Електрон не має визначеної позиції, поки ви не подивитеся на нього. Фотон не має визначеної поляризації, поки ви не вимірюєте його. Струм у надпровідній петлі не протікає у визначеному напрямку, поки ви не змусите його вибрати.

Причина, чому ми не відчуваємо цього в повсякденному житті, — це декогеренція. Коли квантова система взаємодіє з навколишнім середовищем, молекулами повітря, теплом, вібраціями та світлом, суперпозиція майже миттєво руйнується.

Футбольний м'яч не може бути в двох місцях одночасно, тому що він взаємодіє з трильйонами молекул повітря, пилу, звуку, тепла, гравітації тощо кожну наносекунду. Але ізолюйте крихітний струм у вакуумі майже абсолютного нуля, захистіть його від усіх можливих перешкод, і квантова поведінка виживе достатньо довго, щоб з нею обчислювати.

Ось чому квантові комп'ютери так важко будувати. Люди розробляють фізичні середовища, де закони фізики, які зазвичай запобігають цьому, тримаються на відстані достатньо довго, щоб виконати обчислення.

Машини Google працюють у холодильниках розведення розміром з величезні кімнати, холодніших за будь-що в природному всесвіті, оточених шарами захисту від електромагнітного шуму, вібрації та теплового випромінювання.

І кубіти крихкі навіть тоді. Вони постійно втрачають свій квантовий стан, тому "виправлення помилок" домінує в кожній розмові про масштабування.

Тож квантові обчислення — це не швидша версія класичних обчислень. Це використання іншого набору фізичних законів, які застосовуються лише на надзвичайно малих масштабах, надзвичайно низьких температурах і надзвичайно коротких часових проміжках.

Тепер збільште це.

Два звичайних біти можуть бути в одному з чотирьох станів (00, 01, 10, 11), але лише в одному за раз (оскільки струм тече лише в одному напрямку). Два кубіти можуть представляти всі чотири стани одночасно, оскільки струм тече у всіх напрямках одночасно.

Три кубіти представляють вісім станів. Десять кубітів представляють 1 024. П'ятдесят кубітів представляють понад квадрильйон. Число подвоюється з кожним доданим кубітом, тому масштабування таке експоненційне.

Другий трюк — це щось, що називається заплутуванням. Коли два кубіти заплутані, вимірювання одного миттєво повідомляє спостерігачу щось про інший, незалежно від того, наскільки далеко вони один від одного. Це дозволяє квантовому комп'ютеру координувати всі ці одночасні стани способом, який звичайні паралельні обчислення не можуть.

І ці квантові комп'ютери налаштовані так, що неправильні відповіді взаємно скасовуються (як хвилі, що перекриваються і вирівнюються), а правильні відповіді посилюють одна одну (як хвилі, що накладаються вище). До кінця обчислення правильна відповідь має найвищу ймовірність бути виміряною.

Тож це не грубая швидкість. Це принципово інший підхід до обчислення — той, який дозволяє природі досліджувати експоненційно великий простір можливостей, а потім схлопується до правильної відповіді через фізику, а не логіку.

Монументальна загроза для криптографії

Ця приголомшлива фізика є причиною того, чому це жахливо для шифрування.

Математика, що захищає Bitcoin, ґрунтується на припущенні, що перевірка кожного можливого ключа займе більше часу, ніж вік всесвіту.

Але квантовий комп'ютер не перевіряє кожен ключ. Він досліджує їх усі одночасно і використовує інтерференцію, щоб виявити правильний.

Ось де це пов'язується з Bitcoin. Рух в одному напрямку, від приватного ключа до публічного ключа, займає мілісекунди. Рух в іншому напрямку, від публічного ключа назад до приватного ключа, займе у класичного комп'ютера мільйон років або навіть довше, ніж вік всесвіту. Ця асиметрія — єдине, що доводить, що людина володіє своїми монетами.

Квантовий комп'ютер, що виконує алгоритм під назвою Шора, може пройти через цей люк у зворотному напрямку. Стаття Google цього тижня показала, що він може це зробити з набагато меншими ресурсами, ніж хто-небудь раніше оцінював, і в часових рамках, які змагаються з власними підтвердженнями блоків Bitcoin.

Ось чому загроза квантових комп'ютерів, що зламують шифрування блокчейну, справді змушує всіх дуже хвилюватися.

Як ця атака працює крок за кроком, що саме змінила стаття Google і що це означає для 6,9 мільйона Bitcoin, вже викритих, є предметом наступної частини цієї серії.