Самая большая опасность для сетей Blockchain от квантовых вычислений - это их способность нарушать традиционное шифрование.

Google, анонсировал квантовый компьютер, способный выполнять ранее невозможные математические вычисления (хотя IBM с этим не согласны) - вызвал опасения, что криптоиндустрия может оказаться под угрозой. Google заявляет, что его эксперимент является первым испытанием против тезиса Черча-Тьюринга, также известного как тезис вычислимости, в котором утверждается, что традиционные компьютеры могут эффективно выполнять любую «разумную» модель вычислений.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления - это область исследований, ориентированная на развитие компьютерных технологий, основанных на принципах квантовой теории. Квантовый компьютер, следуя законам квантовой физики, получил бы огромную вычислительную мощность благодаря способности находиться в нескольких состояниях и выполнять задачи, используя все возможные перестановки одновременно.

Сравнение классических и квантовых вычислений

Классические вычисления на своем конечном уровне опираются на принципы, выраженные булевой алгеброй. Данные должны обрабатываться в исключительном двоичном состоянии в любой момент времени или в битах. Хотя время, в течение которого каждый транзистор или конденсатор должен быть равен 0 или 1, прежде чем переключать состояния, теперь можно измерить в миллиардных долях секунды, все еще существует ограничение в отношении того, как быстро эти устройства могут переключаться. По мере того, как мы продвигаемся к меньшим и более быстрым цепям, мы начинаем достигать физических пределов материалов и порога для применения классических законов физики. 

В квантовом же компьютере можно использовать ряд элементарных частиц, таких как электроны или фотоны, причем их заряд или поляризация действуют как представление 0 и / или 1. Каждая из этих частиц известна как квантовый бит или кубит. Это делает процесс вычислений значительно быстрее.

Квантовая суперпозиция и запутанность

Двумя наиболее важными аспектами квантовой физики являются принципы суперпозиции и запутывания.

1. Суперпозиция. Думайте о кубите как о электроне в магнитном поле. Спин электрона (это внутреннее свойство электрона, которое можно уподобить заряду или массе) может быть либо в соответствии с полем, которое известно как спин-вверх состояние, или против поля, которое известно как спин-вниз состояние.

Согласно квантовому закону, частица входит в суперпозицию состояний, в которых она ведет себя так, как если бы она находилась в обоих состояниях одновременно. Каждый использованный кубит может принимать суперпозицию как 0, так и 1.

1. Запутывание. Частицы, которые взаимодействовали в некоторой точке, сохраняют тип соединения и могут быть запутаны друг с другом в парах, в процессе, известном как корреляция. Знание состояния вращения одной запутанной частицы - вверх или вниз - позволяет узнать, что вращение ее спутника идет в противоположном направлении. Квантовая запутанность позволяет кубитам, разделенным невероятными расстояниями, мгновенно взаимодействовать друг с другом (не ограничиваясь скоростью света).

Независимо от того, насколько велико расстояние между коррелированными частицами, они останутся запутанными, пока они изолированы. Взятые вместе, квантовая суперпозиция и запутанность создают чрезвычайно расширенную вычислительную мощность. Когда 2-битный регистр в обычном компьютере может хранить только одну из четырех двоичных конфигураций (00, 01, 10 или 11) в любой момент времени, 2-кубитный регистр в квантовом компьютере может хранить все четыре числа одновременно, потому что каждый кубит представляет два значения. Если добавлено больше кубитов, увеличенная емкость увеличивается в геометрической прогрессии

Трудности с квантовыми компьютерами

Помехи

Во время фазы квантового вычисления малейшая помеха в квантовой системе (скажем, случайный фотон или волна электромагнитного излучения) приводит к коллапсу квантового вычисления, процессу, известному как декогерентность. Квантовый компьютер должен быть полностью изолирован от всех внешних помех на этапе вычислений.

Исправление ошибок

Учитывая характер квантовых вычислений, исправление ошибок является сверхкритическим - даже одна ошибка в вычислении может привести к сбою достоверности всего вычисления.

Наблюдение за выходом

Трудность тесно связанная с двумя вышеизложенными, получение выходных данных после завершения квантового расчета может привести к его повреждению.

Что такое квантовое превосходство?

Согласно Financial Times, Google утверждает, что успешно создал самый мощный в мире квантовый компьютер. По мнению исследователей Google, это означает, что вычисления, на выполнение которых обычно уходит более 10 000 лет, его компьютер мог выполнить за 200 секунд, что потенциально может означать, что блокчейн и современное шифрование уже устарели.

Асимметричная криптография, используемая в блокчейне, опирается на пары ключей, а именно на закрытый и открытый ключи. Открытые ключи могут быть вычислены из их частного аналога, но не наоборот. Это связано с невозможностью некоторых математических задач. 

Казалось бы, Google еще далеко от создания квантового компьютера, который может представлять угрозу для криптографии Blockchain или другого шифрования.

«Суперкомпьютер Google в настоящее время имеет 53 кубита», - сказал Драгос Или, исследователь квантовых вычислений и шифрования в Imperial College London.

«Чтобы оказать какое-либо влияние на биткойны или большинство других финансовых систем, потребуется не менее 1500 кубитов, и система должна учитывать их запутанность», - сказал Илие.

Между тем, по словам Илие, масштабирование квантовых компьютеров является «огромной проблемой».

Сети блокчейнов, включая архитектуру Биткойн, опираются на два алгоритма: алгоритм цифровой подписи эллиптической кривой (ECDSA) для цифровых подписей и SHA-256 в качестве хэш-функции. Квантовый компьютер может использовать алгоритм Шора для получения вашего личного ключа от вашего открытого ключа, но самые оптимистичные научные оценки говорят о том, что даже если бы это было возможно, этого не произойдет в течение этого десятилетия.

«160-битный криптографический ключ с эллиптической кривой может быть взломан на квантовом компьютере, использующем около 1000 кубитов, тогда как для расчета безопасного эквивалентного 1024-битного модуля RSA потребуется 2000 кубитов».

Для сравнения, жалкие 53 кубита Google до сих пор не подходят для этого вида криптографии. 

Но это не значит, что поводов для тревоги нет. Хотя собственные алгоритмы шифрования, используемые приложениями Blockchain, в настоящее время безопасны, факт заключается в том, что скорость развития квантовой технологии увеличивается, и со временем это может представлять угрозу. «Мы ожидаем, что их вычислительные мощности будут расти с двойной экспоненциальной скоростью», - считают исследователи Google.

А как же квантовая криптография?

Квантовая криптография использует физику для разработки криптосистемы, полностью защищенной от взлома без ведома отправителя или получателя сообщений.

Само слово квант относится к наиболее фундаментальному поведению мельчайших частиц вещества и энергии.

Квантовая криптография отличается от традиционных криптографических систем тем, что она больше полагается на физику, чем на математику, как на ключевой аспект своей модели безопасности.

По сути, квантовая криптография основана на использовании отдельных частиц / волн света (фотона) и их собственных квантовых свойств для создания неразрушимой криптосистемы (поскольку невозможно измерить квантовое состояние любой системы, не нарушая эту систему).

Квантовая криптография использует фотоны для передачи ключа. Как только ключ передан, может иметь место кодирование и кодирование с использованием обычного метода секретного ключа. Но как фотон становится ключом? Как вы прикрепляете информацию к вращению фотона?

Вот где бинарный код вступает в игру. Каждый тип вращения фотона представляет одну часть информации - обычно 1 или 0, для двоичного кода. Этот код использует строки 1 и 0 для создания связного сообщения. Например, 11100100110 может соответствовать "привет". Таким образом, двоичный код может быть назначен каждому фотону - например, фотон, который имеет вертикальное вращение (|), может быть присвоен 1.

«Если вы построите его правильно, ни один хакер не сможет взломать систему. Вопрос в том, что значит построить его правильно», - сказал физик Ренато Реннер из Института теоретической физики в Цюрихе.

Обычное неквантовое шифрование может работать различными способами, но обычно сообщение шифруется и может быть расшифровано только с использованием секретного ключа. Хитрость заключается в том, чтобы тот, от кого вы пытаетесь скрыть свое общение, не получил ваш секретный ключ. Для взлома закрытого ключа в современной криптосистеме обычно требуется выяснить факторы числа, являющегося результатом двух безумно огромных простых чисел.

Числа выбраны настолько большими, что при заданной вычислительной мощности компьютеров алгоритму для расчета их продукта потребовалось бы больше времени жизни вселенной.

Методы шифрования имеют свои уязвимости. Определенные продукты, называемые слабыми ключами, оказываются легче, чем другие. Кроме того, закон Мура постоянно увеличивает вычислительную мощность наших компьютеров. Еще важнее то, что математики постоянно разрабатывают новые алгоритмы, которые упрощают факторизацию.

Квантовая криптография избегает всех этих проблем. Здесь ключ зашифрован в виде серии фотонов, которые передаются между двумя сторонами, пытающимися поделиться секретной информацией. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что противник не может смотреть на эти фотоны, не изменяя и не уничтожая их.

«В данном случае не имеет значения, какую технологию использует противник, они никогда не смогут нарушить законы физики», - сказал физик Ричард Хьюз из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико, работающий над квантовой криптографией.