Почему умопомрачительная физика квантовых вычислений представляет угрозу для биткоина и криптовалют

На этой неделе Google опубликовал статью, описывающую, как квантовый компьютер теоретически может получить приватный ключ биткоина за 9 минут, с последствиями, которые распространяются на блокчейн Ethereum, другие токены, частный банкинг и потенциально всё в мире.

Квантовые вычисления легко принять за более быструю версию обычного компьютера. Но это не более мощный чип и не более крупная серверная ферма. Это принципиально другой тип машины, отличающийся на уровне самого атома.

Квантовый компьютер начинается с очень холодной, очень маленькой металлической петли, где частицы начинают вести себя так, как они не ведут себя в нормальных условиях на Земле, способами, которые изменяют то, что мы считаем основными правилами физики.

Понимание того, что это означает физически, — это разница между чтением о квантовой угрозе и реальным её осознанием.

Как на самом деле работают компьютеры и квантовые компьютеры

Обычные компьютеры хранят информацию в виде битов — каждый из них либо 0, либо 1. Бит — это крошечный переключатель. Физически это транзистор на «чипе» — микроскопический затвор, который либо пропускает электричество (1), либо нет (0).

Каждая фотография, каждая биткоин-транзакция, каждое слово, которое вы когда-либо печатали, хранится в виде шаблонов этих переключателей, находящихся во включенном или выключенном состоянии. В бите нет ничего загадочного; это физический объект в одном из двух определённых состояний.

Каждое вычисление — это просто очень быстрое перемешивание этих 0 и 1. Современный чип может выполнять миллиарды таких операций в секунду, но он всё равно выполняет их по одной, последовательно.

Квантовые компьютеры используют так называемые кубиты вместо битов. Кубит может быть 0, 1 или — и это странная часть — обоими одновременно!

Это возможно, потому что кубит — это совершенно другой тип физического объекта. Наиболее распространённая версия, которую использует Google, — это крошечная петля из сверхпроводящего металла, охлаждённая примерно до 0,015 градуса выше абсолютного нуля, холоднее космического пространства, но здесь, на Земле.

При такой температуре электричество течёт через петлю без какого-либо сопротивления, и ток, как говорят, существует в квантовом состоянии.

В сверхпроводящей петле ток может течь по часовой стрелке (назовём это 0) или против часовой стрелки (назовём это 1). Но на квантовых масштабах току не нужно выбирать одно направление, и он фактически течёт в обоих направлениях одновременно.

Не путайте это с очень быстрым переключением между двумя состояниями. Ток измеримо, экспериментально и достоверно находится в обоих состояниях одновременно.

Головокружительная физика

Пока всё понятно? Отлично, потому что здесь становится действительно странно, потому что физика того, как это работает, не сразу интуитивна, и так и должно быть.

Всё, с чем человек взаимодействует в повседневной жизни, подчиняется классической физике, которая предполагает, что вещи находятся в одном месте в одно время. Но частицы не ведут себя таким образом на субатомном уровне.

Электрон не имеет определённого положения, пока вы на него не посмотрите. Фотон не имеет определённой поляризации, пока вы её не измерите. Ток в сверхпроводящей петле не течёт в определённом направлении, пока вы не заставите его выбрать.

Причина, по которой мы не испытываем этого в повседневной жизни, — декогеренция. Когда квантовая система взаимодействует с окружающей средой, молекулами воздуха, теплом, вибрациями и светом, суперпозиция схлопывается почти мгновенно.

Футбольный мяч не может находиться в двух местах одновременно, потому что он взаимодействует с триллионами молекул воздуха, пылью, звуком, теплом, гравитацией и т.д. каждую наносекунду. Но изолируйте крошечный ток в вакууме, близком к абсолютному нулю, защитите его от любых возможных возмущений, и квантовое поведение сохраняется достаточно долго для вычислений.

Вот почему квантовые компьютеры так сложно создавать. Люди создают физические среды, где законы физики, которые обычно препятствуют этому, удерживаются достаточно долго, чтобы выполнить вычисление.

Машины Google работают в дилюционных холодильниках размером с огромные комнаты, холоднее всего в естественной вселенной, окружённые слоями экранирования от электромагнитного шума, вибрации и теплового излучения.

И кубиты хрупки даже тогда. Они постоянно теряют своё квантовое состояние, поэтому «коррекция ошибок» доминирует в каждом разговоре о масштабировании.

Таким образом, квантовые вычисления — это не более быстрая версия классических вычислений. Это использование другого набора физических законов, которые применяются только в чрезвычайно малых масштабах, при чрезвычайно низких температурах и в чрезвычайно короткие промежутки времени.

Теперь сложите это.

Два обычных бита могут находиться в одном из четырёх состояний (00, 01, 10, 11), но только в одном за раз (поскольку ток течёт только в одном направлении). Два кубита могут представлять все четыре состояния одновременно, поскольку ток течёт во всех направлениях одновременно.

Три кубита представляют восемь состояний. Десять кубитов представляют 1 024. Пятьдесят кубитов представляют более квадриллиона. Число удваивается с каждым добавленным кубитом, поэтому масштабирование настолько экспоненциально.

Второй трюк — это так называемая запутанность. Когда два кубита запутаны, измерение одного мгновенно сообщает наблюдателю что-то о другом, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Это позволяет квантовому компьютеру координировать все эти одновременные состояния способом, который обычные параллельные вычисления не могут.

И эти квантовые компьютеры настроены так, что неправильные ответы взаимно аннулируются (как перекрывающиеся волны, которые сглаживаются), а правильные ответы усиливают друг друга (как волны, которые накладываются выше). К концу вычисления правильный ответ имеет наибольшую вероятность быть измеренным.

Так что это не грубая сила скорости. Это принципиально другой подход к вычислениям — тот, который позволяет природе исследовать экспоненциально большое пространство возможностей, а затем схлопываться к правильному ответу через физику, а не логику.

Монументальная угроза для криптографии

Эта головокружительная физика — вот почему это ужасно для шифрования.

Математика, защищающая биткоин, основывается на предположении, что проверка каждого возможного ключа займёт больше времени, чем возраст вселенной.

Но квантовый компьютер не проверяет каждый ключ. Он исследует их все одновременно и использует интерференцию, чтобы выявить правильный.

Вот где это связано с Биктоин. В одном направлении, от приватного ключа к публичному ключу, требуются миллисекунды. В другом направлении, от публичного ключа обратно к приватному ключу, классическому компьютеру потребуется миллион лет или даже больше, чем возраст вселенной. Эта асимметрия — единственное, что доказывает, что человек держит свои монеты.

Квантовый компьютер, запускающий алгоритм под названием Шора, может пройти через этот люк в обратном направлении. Статья Google на этой неделе показала, что это можно сделать с гораздо меньшими ресурсами, чем кто-либо ранее предполагал, и в сроки, которые конкурируют с собственными подтверждениями блока биткоина.

Вот почему угроза того, что квантовые компьютеры взломают шифрование блокчейна, действительно заставляет всех очень беспокоиться.

Как работает эта атака шаг за шагом, что именно изменила статья Google и что это означает для 6,9 миллионов биткоинов, уже выставленных на риск, является предметом следующей части этой серии.