Мікросхема Willow компанії Google (Джерело: Зворотна друкована плата)

Запуск чіпа Willow в Google (Джерело: Зворотна друкована плата)

Швидкий прогрес технології перетворює квантові обчислення з теоретичних концепцій на практичну реальність. Представлення Google квантового чіпу Willow у грудні 2024 року здобуло широку увагу. Цей чіп позначає значний стрибок у обчислювальних можливостях і представляє потенційне виклик існуючим системам шифрування. У цій статті ми дослідимо принципи квантових обчислень, дослідимо технологічний прорив, що представляє собою чіп Willow від Google, проаналізуємо його потенційні застосування, оцінимо загрозу, яку він становить для криптовалют, і обговоримо, як криптовалютній галузі слід підготуватися до цього нового виклику.

Що таке Квантові обчислення ліквідності?

Квантові обчислення - це інноваційний обчислювальний підхід, що ґрунтується на принципах квантової механіки, використовуючи квантові біти, або кубіти, для виконання обчислень. На відміну від класичних бінарних бітів, які представляють собою або 0, або 1, кубіти можуть існувати одночасно в суперпозиції обох станів і демонструвати витончені кореляції через квантове заплутування.

Ця унікальна властивість дозволяє квантовим комп'ютерам вирішувати конкретні проблеми з експоненціально більшою швидкістю. Наприклад, завдання, які можуть зайняти мільйони років для традиційних комп'ютерів, можуть бути виконані за допомогою квантових обчислень за кілька секунд або хвилин. Такі можливості мають глибокі наслідки для сучасної криптографії та наукових обчислень, що відкриває можливості та виклики.

Чому Квантові Комп'ютери Швидше за Суперкомп'ютери?

Переваги квантових комп'ютерів випливають з трьох основних принципів квантової механіки:

1. Суперпозиція:

   • Один квантовий біт може одночасно перебувати в стані 0 і 1, що означає, що 𝑛 квантових бітів можуть представляти 2^𝑛 можливих станів. Це дозволяє квантовим обчисленням досліджувати кілька можливостей одночасно, значно покращуючи ефективність.

2. Заплутаність:

   • Квантове заплутування дозволяє двом квантовим бітам мати високо корельовані стани, навіть якщо вони далеко один від одного. Ця функція дозволяє квантовим комп'ютерам швидко співпрацювати під час операцій з багатьма кубітами, зменшуючи затримку.

3. Втручання:

   • Квантові комп'ютери можуть маніпулювати фазою квантових станів, щоб збільшити ймовірність правильних відповідей, зменшуючи ймовірність неправильних. Ця здатність додатково підвищує швидкість та точність обчислень.

Якщо квантові обчислення порівняти з процесом розв'язання лабіринту, традиційний ЦП може спробувати лише кожну стежку по черзі, тоді як ГП може відправити тисячі агентів по різних стежках одночасно. Однак квантовий комп'ютер був би схожий на те, щоб мати безліч тіньових клонів, які одночасно досліджують кожну стежку, поки не буде знайдений вихід.

Прорив у технологіях чіпу Willow від Google

Дві найбільш значущі досягнення чіпу Willow від Google наступні:

• Віллоу може експоненційно зменшити помилки, вирішуючи ключове викликання у квантовій корекції помилок, яке переслідувалося протягом майже 30 років у цій галузі.
• Віллоу виконав стандартні еталонні обчислення менш ніж за п'ять хвилин, завдання, яке зайняло б у одного з найшвидших суперкомп'ютерів сьогодні 10 квінтильйонів років (1025 років) — число, що набагато перевищує вік Всесвіту.

Останні досягнення Google в області квантових обчислень стосуються чіпу Willow. У порівнянні з раніше випущеним чіпом Sycamore, чіп Willow має 105 кубітів, що вдвічі більше, ніж у Sycamore. Проте справжній прорив полягає в кількості кубітів та їх якості. Час кохерентності кубітів Willow, відомий як час Т1, був значно поліпшений, збільшившись приблизно в п'ять разів порівняно з попередніми чіпами. Це покращення дозволяє кубітам зберігати інформацію на значно триваліший період, що безперечно є ключовим фактором у забезпеченні точності та стабільності, а не лише значним збільшенням масштабів.

Раніше одним із основних проблем з кубітами була їх вразливість. Одним із основних викликів у квантових обчисленнях є те, що кубіти дуже чутливі до зовнішнього втручання, що призводить до високих рівнів похибок (рівень похибок стрімко зростає при додаванні більше кубітів). Чіп Willow вводить технологію, відому як Виправлення Помилок Коду Поверхні, яка поєднує фізичні кубіти в більш стійкі логічні кубіти, що значно знижує ймовірність помилок. Це вирішує ключовий виклик, який залишався невирішеним протягом майже 30 років у галузі квантових обчислень.

Чіп Willow використовує логічні кубіти, що забезпечує самокорекцію та значно знижує рівень помилок. Ядром цієї технології є квантова корекція помилок (QEC).

Джуліан Келлі, Директор з апаратного забезпечення квантових обчислень, представляє Willow та її досягнення (Джерело: Ютуб)

Що таке квантова корекція помилок?

Квантова корекція помилок (QEC) - це метод, який використовується для виправлення помилок, що виникають під час роботи квантових комп'ютерів. Оскільки кубіти дуже чутливі - навіть випадкове світло може спричинити обчислювальні помилки - техніки квантової корекції помилок є важливими для зменшення рівнів помилок.

Навпаки, традиційні комп'ютери, які використовують контрольні суми для виправлення помилок, квантові комп'ютери не можуть безпосередньо вимірювати стан одного кубіту, щоб виявити помилки. Замість цього QEC використовує декілька фізичних кубітів для формування логічного кубіту. Навіть якщо деякі фізичні кубіти були порушені, система все ще може відновити правильну інформацію. Простими словами, інформація розподілена по декількох кубітах, а не сконцентрована в одному кубіті, тому навіть якщо частина кубітів порушена, решта кубітів все ще може надати достатньо інформації для виправлення помилки.

Дослідники з Google виявили, що, вводячи більше кубітів і виконуючи виправлення помилок у реальному часі, вони можуть значно знизити рівень помилок. Вони опублікували цей прорив в останньому номері журналу Nature, описавши його як прогрес «нижче порогу». Це означає, що зі збільшенням кількості кубітів частота помилок може зменшуватися в геометричній прогресії, що є важливою віхою в історії квантових обчислень.

Застосування квантових обчислень

Розробка ліків та наука про матеріали

Квантові обчислення можуть моделювати молекулярні структури, щоб допомогти дослідникам швидко передбачити молекулярні взаємодії, тим самим прискорюючи відкриття нових ліків та матеріалів, таких як:

• Проектування ліків: Квантові обчислення мають потенціал революціонізувати процес проектування ліків шляхом імітації процесів складання білків, що значно прискорює розробку препаратів від раку або вакцин. Наприклад, під час розробки вакцин від COVID-19 квантові обчислення відіграли важливу роль у аналізі структур білків. Квантово-інспірована технологія від Fujitsu змогла просіяти більйони молекул та визначити перспективні кандидати в ліки всього за вісім тижнів, драматично скоротивши типовий термін виявлення ліків.
• Наука про матеріали: дослідження нових надпровідних матеріалів або технологій наступного покоління батарей для підвищення ефективності та терміну служби батарей для електромобілів.

Моделювання клімату та наука про навколишнє середовище

Квантові обчислення можуть моделювати складні процеси зміни клімату, щоб допомогти дослідникам зрозуміти зміни навколишнього середовища та знайти рішення:

• Симуляція клімату: Прогнозування майбутніх тенденцій глобального потепління та надання даних для підтримки формулювання політики зменшення викидів.
• Оптимізація розподілу енергії: Допомога дослідникам у проектуванні більш ефективних систем електромереж для оптимізації розподілу енергії та зменшення втрат. Наприклад, компанія Fujitsu у партнерстві з портом Гамбург використовує квантово-інспіровані обчислення для оптимізації світлофорів у портовій зоні. Це допомагає зменшити затори та забруднення, що призводить до більш ефективного використання енергії.

Нова енергія та ядерний синтез

Квантові обчислення можуть симулювати атомну та молекулярну поведінку, прискорюючи дослідження в галузі технології ядерного синтезу та розвитку більш ефективних енергетичних систем:

• Симуляція ядерної реакції злиття: Квантові обчислення допомагають дослідникам зрозуміти складні умови, необхідні для ядерних реакцій злиття, відіграючи ключову роль у розвитку революції чистої енергії.
• Покращення технології батарей: Шляхом імітації хімічних реакцій на молекулярному рівні квантові обчислення можуть допомогти розробити більш ефективні та екологічно чисті батареї. Наприклад, Daimler, співпрацюючи з IBM, використовував квантові обчислення для імітації поведінки молекул сірки, що сприяло розробці високопродуктивних та довготривалих літій-сіркових акумуляторів.

Транспортування та логістика

• Планування польотів: IBM використовує квантові обчислення для одночасної оптимізації управління флотом, призначення екіпажу та пасажирських факторів, що дозволяє надавати найефективніші рішення для прискорення відновлення польотів.
• Виробництво автомобілів: У партнерстві з Toyota компанія Fujitsu використовує технологію цифрового відпалювання для розрахунку маршрутів руху в реальному часі, що ефективно знижує логістичні витрати та підвищує оперативну ефективність.

Засновник Google Quantum AI Гартмут Невен вказав, що випуск чіпу Willow є значним кроком уперед для комерційно придатних квантових обчислень. Хоча технологія все ще знаходиться на початкових етапах, вона закладає міцний фундамент для вирішення реальних проблем у майбутньому.

Загроза квантових обчислень для криптовалют

По мірі того, як розвивається квантове обчислення, воно поставляє перед криптовалютами небачені виклики щодо безпеки. Наразі більшість криптовалют залежать від традиційних методів шифрування з використанням відкритих ключів, таких як еліптична крива криптографія (ECC) та хеш-функція SHA-256. Однак величезна обчислювальна потужність квантових комп'ютерів може потенційно підривати ці існуючі стандарти шифрування повністю.

1. Ризик розшифрування шифрування з відкритим ключем

• Традиційні методи шифрування з відкритим ключем, такі як RSA та ECC, залежать від обчислювальної складності проблем, таких як факторизація простих чисел та дискретні логарифми, для забезпечення безпеки.
• Алгоритм Шора квантових обчислень може вирішити ці проблеми експоненційно швидше, зробивши поточні методи шифрування вразливими. Це може потенційно дозволити хакерам обхідати захисні заходи, отримуючи доступ до приватних ключів користувачів та компрометуючи їх цифрові активи.

2. Ризик хеш-алгоритмів

• Механізм підтвердження роботи proof-of-work (PoW) Bitcoin покладається на функцію хешування SHA-256 для забезпечення цілісності транзакцій.
• Алгоритм Гровера квантових обчислень може прискорити процес розкриття SHA-256 на фактор квадратного кореня. Хоча це не так катастрофічно, як Алгоритм Шора з використанням шифрування з відкритим ключем, він все ще може послабити безпеку криптовалют.

3.Проблеми безпеки транзакцій

• Деталі транзакцій публічно реєструються в блокчейні у криптовалютах, таких як Біткоїн. Хакери можуть використовувати квантові обчислення для розкриття приватних ключів транзакцій, які ще не були підтверджені, що дозволяє їм ініціювати несанкціоновані транзакції.
• Ця вразливість "напад-спершу, підтвердження-пізніше" ставить цифрові активи під загрозу та може підірвати загальну цілісність та надійність мережі блокчейн.

Згідно зі звітом Гудзонівського інституту, якщо квантовим комп'ютерам вдасться зламати безпеку біткойна, це може призвести до ринкових втрат на суму понад 3 трильйони доларів, що потенційно може спричинити потрясіння на світових фінансових ринках. Цей ризик буде тільки зростати, оскільки біткойн та інші криптовалюти продовжують набувати масового поширення в якості інвестиційних активів. Однак дослідження показують, що до квантового комп'ютера, достатньо потужного, щоб зламати шифрування біткойна, ще не менше десяти років. Незважаючи на це, загроза залишається довгостроковою проблемою. Якщо спільнота розробників Bitcoin не зможе вчасно оновити свої протоколи безпеки, вона може зіткнутися зі значними ризиками в майбутньому. Хоча поточні криптографічні методи криптовалют залишаються ефективними в традиційних обчислювальних середовищах, обчислювальна потужність квантових комп'ютерів може в кінцевому підсумку порушити цей баланс.

Стратегії та напрямки для криптовалют у відповідь на квантові обчислення

З розвитком квантових обчислень криптовалютна спільнота та наукові установи активно досліджують стратегії забезпечення цифрових активів та забезпечення стабільного розвитку технології блокчейн. Ці стратегії включають оновлення криптографічних технік, покращення протоколів блокчейну, зміцнення заходів безпеки транзакцій, встановлення регуляцій та стандартів, а також створення довгострокових моніторингових та співпраців рамок.

Розробка пост-квантової криптографії (PQC)

Як було зазначено раніше, оскільки поточні технології шифрування (такі як RSA та ECC) можуть бути скомпрометовані квантовими комп'ютерами, розвиток криптографії після квантових обчислень (PQC) став центральним уваги. Національний інститут стандартів та технологій (NIST) очолює зусилля з встановлення стандартів криптографії після квантових обчислень, які включають:

• Шифрування на основі решіток: Техніки, такі як Kyber та NTRU, які використовують теорію решіток для забезпечення безпеки, були обрані NIST як пост-квантові криптографічні стандарти.
• Шифрування на основі хешування: Прикладом є SPHINCS+, який добре підходить для цифрових підписів і забезпечує надійний захист від атак квантових обчислень.
• Шифрування багаторівневих поліномів: Цей підхід ґрунтується на складності розв'язання багаторівневих поліноміальних рівнянь для забезпечення безпеки.

Оновлення протоколів блокчейну та інтеграція технологій

Крім розробки нових криптографічних технік, протоколи блокчейну повинні бути оновлені, щоб відповідати вимогам безпеки квантової ери. Наразі основні проекти блокчейну досліджують наступні технології:

• Біткойн: Спільнота вивчає, як інтегрувати пост-квантові підписи (такі як підписи Лампорта та підписи Вінтерніца) в мережу Біткойн, щоб забезпечити безпеку транзакцій.
• Ефіріум: Дослідження технологій доказу нульового знання, таких як zk-SNARKs та STARKs, які підвищать конфіденційність та зменшать залежність від традиційних криптографічних технік.
• Блокчейн, стійкий до квантових обчислень: Проекти, такі як Quantum-Resistant Ledger (QRL) та QANplatform, спрямовані на розробку технологій блокчейн, які стійкі до квантових атак, забезпечуючи безпеку транзакцій та даних на архітектурному рівні.
• Оптимізація механізмів консенсусу блокчейну: Впровадження нових алгоритмів консенсусу, таких як квантово-стійка доказ власності (PoS), спрямоване на забезпечення довгострокової стабільності та безпеки децентралізованих систем перед квантовими загрозами.

Підвищення безпеки транзакцій та приватних ключів

Враховуючи потенціал квантових комп'ютерів підривати традиційну криптографію, вкрай важливо ще більше посилити безпеку криптовалютних транзакцій і приватних ключів.

• Технологія мультипідпису: Це вимагає декількох приватних ключів для авторизації транзакції, підвищуючи безпеку та мінімізуючи ризик вразливості одного пункту.
• Схема підпису порогового рівня (TSS): Цей підхід розбиває приватний ключ на кілька частин, розподілених по різних пристроях. Це ускладнює заволодіння хакерам одним ключем за допомогою квантових обчислень.
• Скорочення часу підтвердження транзакцій: Оптимізуючи ефективність мережі, можна скоротити час, необхідний для підтвердження транзакцій, таким чином зменшуючи вікно впливу для приватних ключів у мережі.

Встановлення регуляцій та стандартів

• Розробка глобальних стандартів: Органи влади та міжнародні організації, такі як NIST та ISO, повинні тісно співпрацювати з технологічними компаніями для створення єдиної стандартів шифрування після квантових обчислень. Цей спільний зусилля допоможе забезпечити глобальне покращення заходів безпеки на ринку криптовалют.
• Регулювання квантових ризиків: Регулюючі органи повинні впровадити рекомендації, які обов'язково вимагатимуть від бірж криптовалют та постачальників гаманців використовувати квантовостійкі механізми. Ці правила будуть важливими для захисту інтересів інвесторів.

Висновок

Розвиток квантових обчислень досяг ключової стадії, коли чіп Willow від Google наблизив нас до квантової ери. Хоча це знаменує собою технологічний стрибок, це також становить значну загрозу безпеці криптовалют і фінансових систем. Експерти прогнозують, що квантові комп'ютери, які зламають шифрування біткойна, можуть бути ще через 10-20 років, але гонка вже триває. Артур Герман, дослідник з Гудзонівського інституту, попередив, що квантові хакерські атаки схожі на бомбу уповільненої дії. Як тільки вони відбудуться, вони можуть призвести до втрат до 3 трильйонів доларів ринкової вартості та потенційно спровокувати фінансову кризу. У міру того, як вартість біткойна наближається до 100 000 доларів, він стає більш привабливою мішенню для хакерів. Для блокчейн-спільноти, академічних установ та державних регуляторів буде вкрай важливо співпрацювати над просуванням постквантової криптографії (PQC) та модернізацією існуючої інфраструктури блокчейну, таким чином захищаючи цифрові активи. У цій гонці з часом ті, хто робить активні кроки, матимуть найкращі можливості для процвітання в квантову епоху.