Цього тижня Google опублікувала дослідження, яке описує, як у теорії квантовий комп’ютер може вивести приватний ключ Bitcoin за 9 хвилин, спричиняючи наслідки, які хвилею віддаються на Ethereum, інші токени, приватні банки і, можливо, на все у цьому світі.
Квантові комп’ютери легко помилково сприйняти за швидшу версію звичайного комп’ютера. Але це не потужніший чип і не більший кластер серверів. Це зовсім інший тип пристрою — інший уже на атомному рівні.
Квантовий комп’ютер починається з дуже малого, дуже холодного металевого кільця, де частинки починають поводитися так, як вони не поводяться в нормальних умовах на Землі — способами, що змінюють те, що ми досі вважаємо базовими законами фізики.
Розуміти це — у фізичному сенсі — означає межу між просто читанням про квантову загрозу та справді її усвідомленням.
Як насправді працюють комп’ютери та квантові комп’ютери
Звичайні комп’ютери зберігають інформацію у бітах — кожен біт це або 0, або 1. Біт — це наддрібний перемикач. З фізичного погляду це транзистор на “чипі” — мікропросвіт або пропускає струм (1), або не пропускає (0).
Усі зображення, усі транзакції Bitcoin, усі слова, які ти колись вводив, зберігаються як такі схеми перемикачів — увімкнений або вимкнений стан. Немає нічого таємничого в біті; він є фізичним об’єктом у одному з двох визначених станів.
Усі прості обчислення — це швидке перемішування цих 0 і 1. Сучасний чип може робити мільярди таких операцій щосекунди, але він усе одно виконує їх по одній, за порядком.
Квантові комп’ютери використовують те, що називається кубітом, замість біта. Кубіт може бути 0, 1, або — і ось тут починається дивина — і те, і те разом в один і той самий момент!
Це можливе, тому що кубіт є цілком іншим видом фізичного об’єкта. Найпоширеніша форма, і саме таку використовує Google, — це крихітне надпровідне металеве кільце, охолоджене приблизно до 0,015 градуса вище абсолютного нуля — холодніше, ніж будь-що існує в природі, але при цьому все ще на Землі.
За такої температури електрика тече через кільце без опору, і кажуть, що струм перебуває в квантовому стані.
У надпровідному кільці струм може текти за годинниковою стрілкою (назвемо це 0) або проти годинникової стрілки (назвемо це 1). Але на квантовій шкалі струм не обов’язково має обрати певний напрям і реально тече в обох напрямах одночасно.
Не плутай це з миттєвим перемиканням між двома станами. Цей струм можна виміряти, перевірити експериментально і підтвердити спостереженнями, які показують, що він одночасно перебуває в обох станах.
Вражаюча фізика
Поки що все ок? Добре, бо далі буде ще справді дивніше: фізика, яка стоїть за тим, як це працює, не є інтуїтивною з першого погляду і навіть не була створена для того, щоб бути інтуїтивною.
Усе, з чим людина взаємодіє в повсякденному житті, підпорядковується класичній фізиці, яка припускає, що об’єкт перебуває десь у певний момент часу. Але частинки не поводяться так на надмалих масштабах.
Електрон не має визначеного положення, доки ти не подивишся на нього. Фотон не має визначеної поляризації, доки ти його не виміряєш. Струм у надпровідному кільці не тече в певному напрямі, доки ти не змусиш його обрати.
Причина, чому ми не переживаємо це в щоденному житті, — квантова декогеренція. Коли квантова система взаємодіє зі своїм оточенням — молекулами повітря, теплом, вібраціями та світлом — стан суперпозиції руйнується майже миттєво.
Футбольний м’яч не може бути в двох місцях одночасно, бо він взаємодіє з трильйонами молекул повітря, пилом, звуками, теплом, гравітацією тощо щонаносекунди. Але якщо ізолювати надмалий струм у вакуумному середовищі поблизу абсолютного нуля, захистивши його від будь-яких можливих збурень, тоді квантова поведінка зберігається достатньо довго, щоб виконувати обчислення.
Ось чому квантові комп’ютери надзвичайно складно створювати. Вчені проектують фізичні середовища, в яких ті закони, що зазвичай заважають цьому явищу, стримуються достатньо довго, щоб завершити обчислення.
Машина Google працює в кріостатах розрідження, розміром як великі кімнати, холодніших за будь-що, що існує в природі, і закутана в багато шарів захисту від електромагнітних перешкод, вібрацій та теплового випромінювання.
І навіть за таких умов кубіти залишаються неймовірно крихкими. Вони безперервно втрачають квантовий стан, тож “виправлення помилок” стає домінуючою темою в усіх розмовах про масштабування.
Тому квантовий комп’ютер — це не швидша версія класичного комп’ютера. Він використовує інший набір фізичних правил, які спрацьовують лише на надмалих масштабах, за вкрай низьких температур і протягом надкоротких проміжків часу.
Тепер помнож це на масштаб.
Два звичайні біти можуть перебувати в одному з чотирьох станів (00, 01, 10, 11), але лише в одному стані в певний момент часу (бо струм тече лише в одному напрямі). Два кубіти можуть представляти всі чотири стани одночасно, бо струм тече в усіх напрямах одночасно.
Три кубіти представляють вісім станів. Десять кубітів представляють 1.024 стани. П’ятдесят кубітів представляють більше одного мільйона мільярдів. Кількість подвоюється з кожним доданим кубітом, тож масштабування є надзвичайно експоненційним.
Друга хитрість — те, що називається квантовим заплутуванням. Коли два кубіти заплутуються, вимірювання одного кубіта одразу повідомляє спостерігача щось про другий кубіт, незалежно від того, як далеко вони розташовані один від одного. Це дозволяє квантовому комп’ютеру координуватися по всьому набору одночасних станів так, як звичайні паралельні обчислення не можуть.
І ці квантові комп’ютери налаштовані так, щоб неправильні відповіді взаємно знищувалися (як хвилі, що накладаються одна на одну й вирівнюються), а правильні відповіді підсилювалися (як хвилі, що накладаються й піднімаються). У кінці обчислення ймовірність виміряти правильну відповідь є найвищою.
Отже, це не “brute-force” швидкість. Це принципово інший спосіб обчислень — спосіб, у якому сама природа досліджує простір можливостей, що зростає експоненційно, а потім “згасає” до правильної відповіді через фізику, а не через логіку.
Велика загроза для криптографії
Саме ця вражаюча фізика і є причиною того, чому це лякає криптографію.
Математика, що захищає Bitcoin, спирається на припущення, що перевірка кожного ключа може зайняти більше часу, ніж вік Всесвіту.
Але квантовий комп’ютер не перевіряє кожен ключ окремо. Він досліджує всі разом і використовує інтерференцію, щоб “вивести” правильну відповідь.
Це і є зв’язок із Bitcoin. В одному напрямі — від приватного ключа до публічного ключа — потрібно лише кілька мілісекунд. У зворотному напрямі — від публічного ключа до приватного ключа — звичайному комп’ютеру потрібен мільйон років, або навіть довше, ніж вік Всесвіту. Саме ця асиметрія доводить, що хтось тримає свої монети.
Квантовий комп’ютер, який запускає алгоритм під назвою Shor, може пройти “перешкоду” в цьому ланцюжку. Дослідження Google цього тижня показує, що він здатен зробити це з набагато меншими ресурсами, ніж оцінювали раніше, і в часовому вікні, яке напряму конкурує з часом підтвердження блоку Bitcoin.
Ось чому загроза з боку квантових комп’ютерів, які ламають криптографію блокчейну, змушує людей по-справжньому хвилюватися.
Те, як саме виглядає така атака крок за кроком, що саме конкретно змінило дослідження Google, і що це означає для 6,9 мільйона bitcoin, які вже було розкрито, — усе це буде темою наступної частини цієї серії.
