Une explication simple de ce qu'est réellement le calcul quantique, et pourquoi il est terrifiant pour le bitcoin

Cette semaine, Google a publié un article décrivant comment un ordinateur quantique pourrait théoriquement dériver une clé privée Bitcoin en 9 minutes, avec des répercussions qui s'étendent à Ethereum, à d'autres tokens, à la banque privée, et potentiellement à tout ce qui existe dans le monde.

L'informatique quantique est facilement confondue avec une version plus rapide d'un ordinateur classique. Mais ce n'est ni une puce plus puissante ni une ferme de serveurs plus grande. C'est une machine fondamentalement différente, différente au niveau même de l'atome.

Un ordinateur quantique commence par une boucle de métal très froide et très petite où les particules commencent à se comporter d'une manière différente de leur comportement habituel sur Terre, des comportements qui modifient ce que nous considérons comme les règles fondamentales de la physique.

Comprendre ce que cela signifie, physiquement, fait la différence entre lire sur la menace quantique et la saisir réellement.

Comment fonctionnent réellement les ordinateurs et les ordinateurs quantiques

Les ordinateurs classiques stockent l'information sous forme de bits — chacun étant soit un 0 soit un 1. Un bit est un interrupteur minuscule. Physiquement, il s'agit d'un transistor sur une « puce » — une porte microscopique qui laisse passer l'électricité (1) ou non (0).

Chaque photo, chaque transaction en bitcoin, chaque mot que vous avez jamais tapé est stocké sous forme de motifs de ces interrupteurs étant allumés ou éteints. Il n’y a rien de mystérieux à propos d’un bit ; c’est un objet physique dans l’un des deux états définis.

Chaque calcul consiste simplement à déplacer ces 0 et 1 très rapidement. Une puce moderne peut en effectuer des milliards par seconde, mais elle les réalise toujours un par un, de manière séquentielle.

Les ordinateurs quantiques utilisent ce que l'on appelle des qubits au lieu des bits. Un qubit peut être 0, 1, ou — et c'est la partie étrange — les deux en même temps !

Cela est possible car un qubit est un type d'objet physique totalement différent. La version la plus courante, et celle utilisée par Google, est une petite boucle de métal supraconducteur refroidie à environ 0,015 degré au-dessus du zéro absolu, plus froid que l'espace interstellaire mais ici sur Terre.

À cette température, l’électricité circule à travers la boucle sans aucune résistance, et on dit que le courant existe dans un état quantique.

Dans la boucle supraconductrice, le courant peut circuler dans le sens des aiguilles d'une montre (appelons cela 0) ou dans le sens inverse (appelons cela 1). Mais à l'échelle quantique, le courant n'a pas à choisir une direction et circule en réalité dans les deux directions simultanément.

Ne le confondez pas avec un simple changement très rapide entre les deux. Le courant est mesurablement, expérimentalement et vérifiable dans les deux états simultanément.

Physique époustouflante

Avec nous jusqu'ici ? Excellent, car c'est ici que les choses deviennent réellement étranges, car la physique qui sous-tend son fonctionnement n'est pas immédiatement intuitive, et ce n'est pas censé l'être.

Tout ce avec quoi une personne interagit dans la vie quotidienne obéit à la physique classique, qui suppose que les objets se trouvent en un seul endroit à un moment donné. Cependant, les particules ne se comportent pas ainsi à l’échelle subatomique.

Un électron n'a pas de position définie tant que vous ne l'observez pas. Un photon n'a pas de polarisation définie tant que vous ne la mesurez pas. Un courant dans une boucle supraconductrice ne circule pas dans une direction définie tant que vous ne le contraignez pas à en choisir une.

La raison pour laquelle nous ne constatons pas cela dans la vie quotidienne est la décohérence. Lorsqu'un système quantique interagit avec son environnement, les molécules d'air, la chaleur, les vibrations et la lumière, la superposition s'effondre presque instantanément.

Un ballon de football ne peut pas être à deux endroits à la fois parce qu'il interagit avec des billions de molécules d'air, de poussière, de son, de chaleur, de gravité, etc., à chaque nanoseconde. Mais isolez un courant minuscule dans un vide proche du zéro absolu, protégez-le de toute perturbation possible, et le comportement quantique persiste suffisamment longtemps pour être exploité dans des calculs.

C’est pourquoi les ordinateurs quantiques sont si difficiles à construire. Les ingénieurs créent des environnements physiques où les lois de la physique, qui normalement empêchent ce genre de phénomène, sont contenues juste assez longtemps pour exécuter un calcul.

Les machines de Google fonctionnent dans des réfrigérateurs à dilution de la taille de vastes pièces, plus froids que tout ce qui existe dans l'univers naturel, entourés de couches de blindage contre le bruit électromagnétique, les vibrations et le rayonnement thermique.

Et les qubits sont fragiles même alors. Ils perdent constamment leur état quantique, c’est pourquoi la « correction d’erreur » domine chaque discussion sur la montée en puissance.

Ainsi, l'informatique quantique n'est pas une version plus rapide de l'informatique classique. Elle exploite un ensemble différent de lois physiques qui ne s'appliquent qu'à des échelles extrêmement petites, à des températures extrêmement basses, et à des intervalles de temps extrêmement courts.

Maintenant, empilez cela.

Deux bits classiques peuvent être dans l’un des quatre états (00, 01, 10, 11), mais un seul à la fois (car le courant circule dans une seule direction). Deux qubits peuvent représenter simultanément les quatre états, puisque le courant circule dans toutes les directions en même temps.

Trois qubits représentent huit états. Dix qubits représentent 1 024. Cinquante qubits représentent plus d'un quadrillion. Le nombre double à chaque qubit ajouté, ce qui explique pourquoi la croissance est si exponentielle.

Le second procédé est appelé enchevêtrement. Lorsque deux qubits sont enchevêtrés, la mesure de l’un informe instantanément un observateur sur l’autre, peu importe la distance qui les sépare. Cela permet à un ordinateur quantique de coordonner tous ces états simultanés d’une manière que le calcul parallèle traditionnel ne peut pas réaliser.

Et ces ordinateurs quantiques sont configurés de manière à ce que les réponses incorrectes s'annulent mutuellement (comme des ondes qui se chevauchent et s'aplanissent) et que les bonnes réponses se renforcent mutuellement (comme des ondes qui s'empilent plus haut). À la fin du calcul, la réponse correcte a la probabilité la plus élevée d'être mesurée.

Il ne s'agit donc pas d'une vitesse de force brute. C'est une approche fondamentalement différente du calcul — une approche qui permet à la nature d'explorer un espace exponentiellement vaste de possibilités, puis de se réduire à la bonne réponse grâce à la physique plutôt qu'à la logique.

Une menace monumentale pour la cryptographie

Cette physique stupéfiante est la raison pour laquelle elle est terrifiante pour le chiffrement.

Les calculs protégeant le bitcoin reposent sur l'hypothèse que vérifier chaque clé possible prendrait plus de temps que l'âge de l'univers.

Mais un ordinateur quantique ne vérifie pas chaque clé. Il les explore toutes simultanément et utilise l'interférence pour faire émerger la bonne.

C’est là que cela se relie au Bitcoin. Dans une direction, de la clé privée à la clé publique, cela prend quelques millisecondes. Dans l’autre direction, de la clé publique vers la clé privée, un ordinateur classique mettrait un million d’années, voire plus vieux que l’âge de l’univers. Cette asymétrie est la seule preuve qu’une personne détient effectivement ses pièces.

Un ordinateur quantique exécutant un algorithme appelé Shor peut parcourir cette porte dérobée en sens inverse. L'article de Google publié cette semaine a démontré qu'il pouvait le faire avec beaucoup moins de ressources que ce qui avait été estimé auparavant, et dans un délai qui rivalise avec les confirmations de blocs du bitcoin.

C’est pourquoi la menace que représentent les ordinateurs quantiques capables de déchiffrer le cryptage des blockchains inquiète véritablement tout le monde.

La manière dont cette attaque fonctionne étape par étape, ce que l'article de Google a spécifiquement modifié, et ce que cela signifie pour les 6,9 millions de bitcoins déjà exposés, fait l'objet du prochain article de cette série.