Penjelasan sederhana tentang apa itu komputasi kuantum sebenarnya, dan mengapa hal itu menakutkan bagi bitcoin

Minggu ini, Google menerbitkan sebuah makalah yang menjelaskan bagaimana komputer kuantum secara teoritis dapat memperoleh kunci privat bitcoin dalam 9 menit, dengan dampak yang meluas hingga ke Ethereum, token lainnya, perbankan pribadi, dan berpotensi seluruh aspek di dunia.

Komputasi kuantum sering disalahartikan sebagai versi yang lebih cepat dari komputer biasa. Namun, ini bukan chip yang lebih kuat atau pusat server yang lebih besar. Ini adalah jenis mesin yang secara fundamental berbeda, berbeda pada tingkat atom itu sendiri.

Sebuah komputer kuantum dimulai dengan sebuah loop logam yang sangat dingin dan sangat kecil di mana partikel-partikel mulai berperilaku dengan cara yang tidak mereka lakukan dalam kondisi normal di Bumi, cara yang mengubah apa yang kita anggap sebagai aturan dasar fisika.

Memahami apa artinya secara fisik adalah perbedaan antara hanya membaca tentang ancaman kuantum dan benar-benar memahaminya.

Cara komputer dan komputer kuantum sebenarnya bekerja

Komputer biasa menyimpan informasi sebagai bit — masing-masing adalah 0 atau 1. Bit adalah saklar kecil. Secara fisik, itu adalah transistor pada “chip” — gerbang mikroskopis yang memungkinkan listrik mengalir (1) atau tidak (0).

Setiap foto, setiap transaksi bitcoin, setiap kata yang pernah Anda ketik disimpan sebagai pola-pola saklar ini dalam kondisi menyala atau mati. Tidak ada yang misterius dari sebuah bit; itu adalah objek fisik dalam salah satu dari dua keadaan yang pasti.

Setiap perhitungan hanyalah mengacak-acak 0 dan 1 ini dengan sangat cepat. Chip modern dapat melakukan miliaran perhitungan ini per detik, namun tetap melakukannya satu per satu, secara berurutan.

Komputer kuantum menggunakan sesuatu yang dikenal sebagai qubit, bukan bit. Qubit dapat berupa 0, 1, atau — dan inilah bagian yang aneh — keduanya sekaligus!

Hal ini dimungkinkan karena qubit merupakan jenis objek fisik yang benar-benar berbeda. Versi yang paling umum, dan yang digunakan Google, adalah sebuah loop kecil logam superkonduktor yang didinginkan hingga sekitar 0,015 derajat di atas nol mutlak, lebih dingin daripada ruang angkasa luar namun berada di Bumi.

Pada suhu tersebut, listrik mengalir melalui loop tanpa hambatan, dan arus tersebut dikatakan berada dalam keadaan kuantum.

Dalam loop superkonduktor, arus dapat mengalir searah jarum jam (disebut 0) atau berlawanan arah jarum jam (disebut 1). Namun pada skala kuantum, arus tidak harus memilih satu arah dan sebenarnya mengalir ke kedua arah secara bersamaan.

Jangan salah mengira ini sebagai pergantian antara keduanya dengan sangat cepat. Arus ini dapat diukur, diuji secara eksperimental, dan diverifikasi berada dalam kedua keadaan secara bersamaan.

Fisika yang Membingungkan Pikiran

Sampai di sini paham? Bagus, karena di sinilah halnya menjadi benar-benar aneh, karena fisika di balik cara kerjanya tidak langsung intuitif, dan memang seharusnya begitu.

Segala sesuatu yang seseorang lakukan dalam kehidupan sehari-hari mengikuti fisika klasik, yang mengasumsikan bahwa benda-benda berada di satu tempat pada satu waktu. Namun, partikel tidak berperilaku demikian pada skala subatomik.

Elektron tidak memiliki posisi yang pasti sampai Anda melihatnya. Foton tidak memiliki polarisasi yang pasti sampai Anda mengukurnya. Arus dalam loop superkonduktor tidak mengalir dalam arah yang pasti sampai Anda memaksanya untuk memilih.

Alasan kita tidak mengalami hal ini dalam kehidupan sehari-hari adalah karena dekoherensi. Ketika sebuah sistem kuantum berinteraksi dengan lingkungannya, molekul udara, panas, getaran, dan cahaya, superposisi tersebut runtuh hampir seketika.

Sebuah bola sepak tidak dapat berada di dua tempat sekaligus karena berinteraksi dengan triliunan molekul udara, debu, suara, panas, gravitasi, dll., setiap nanodetik. Namun jika mengisolasi arus kecil dalam vakum hampir nol mutlak, melindunginya dari segala gangguan yang mungkin, perilaku kuantum bertahan cukup lama untuk digunakan dalam komputasi.

Itulah mengapa komputer kuantum sangat sulit untuk dibuat. Para insinyur merancang lingkungan fisik di mana hukum fisika yang biasanya mencegah hal ini terjadi dapat dicegah sementara hanya cukup lama untuk menjalankan sebuah perhitungan.

Mesin Google beroperasi dalam pendingin pengencer berukuran sebesar ruangan besar, lebih dingin daripada apa pun di alam semesta alami, dikelilingi oleh lapisan perlindungan terhadap gangguan elektromagnetik, getaran, dan radiasi termal.

Dan qubitnya rapuh meskipun begitu. Mereka kehilangan keadaan kuantum mereka secara konstan, itulah mengapa "koreksi kesalahan" mendominasi setiap pembicaraan tentang peningkatan skala.

Jadi komputasi kuantum bukanlah versi yang lebih cepat dari komputasi klasik. Ini memanfaatkan seperangkat hukum fisika yang berbeda yang hanya berlaku pada skala yang sangat kecil, suhu yang sangat rendah, dan rentang waktu yang sangat singkat.

Sekarang gabungkan itu.

Dua bit reguler dapat berada dalam salah satu dari empat keadaan (00, 01, 10, 11), tetapi hanya satu pada satu waktu (karena arus mengalir hanya dalam satu arah). Dua qubit dapat mewakili keempat keadaan sekaligus, karena arus mengalir ke semua arah secara bersamaan.

Tiga qubit mewakili delapan keadaan. Sepuluh qubit mewakili 1.024. Lima puluh qubit mewakili lebih dari satu kuadriliun. Angka tersebut berlipat ganda dengan setiap penambahan qubit, itulah sebabnya skala ini sangat eksponensial.

Trik kedua adalah sesuatu yang disebut keterikatan (entanglement). Ketika dua qubit terikat, pengukuran pada satu qubit secara instan memberikan informasi kepada pengamat tentang qubit lainnya, tidak peduli seberapa jauh jarak antara keduanya. Hal ini memungkinkan komputer kuantum untuk mengoordinasikan semua keadaan simultan tersebut dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh komputasi paralel biasa.

Dan komputer kuantum ini dirancang sedemikian rupa sehingga jawaban yang salah saling membatalkan (seperti gelombang yang saling tumpang tindih dan meratakan) dan jawaban yang benar saling memperkuat (seperti gelombang yang bertumpuk semakin tinggi). Pada akhir perhitungan, jawaban yang benar memiliki probabilitas tertinggi untuk diukur.

Jadi ini bukan kecepatan brute-force. Ini adalah pendekatan perhitungan yang secara fundamental berbeda — yang memungkinkan alam menjelajahi ruang kemungkinan yang sangat besar secara eksponensial dan kemudian mengerucut pada jawaban yang tepat melalui fisika, bukan logika.

Ancaman monumental bagi kriptografi

Fisika yang memukau ini adalah alasan mengapa hal itu menakutkan untuk enkripsi.

Matematika yang melindungi bitcoin didasarkan pada asumsi bahwa memeriksa setiap kemungkinan kunci akan memakan waktu lebih lama daripada usia alam semesta.

Namun, komputer kuantum tidak memeriksa setiap kunci secara satu per satu. Ia mengeksplorasi semuanya secara bersamaan dan menggunakan interferensi untuk menampilkan kunci yang tepat.

Di sinilah kaitannya dengan Bitcoin. Melakukan satu arah, dari kunci privat ke kunci publik, hanya memerlukan milidetik. Melakukan arah sebaliknya, dari kunci publik kembali ke kunci privat, akan memakan waktu komputer klasik selama satu juta tahun, atau bahkan lebih lama dari umur alam semesta. Ketidakseimbangan ini adalah satu-satunya bukti bahwa seseorang benar-benar memegang koin mereka.

Sebuah komputer kuantum yang menjalankan algoritma bernama Shor dapat melalui pintu jebakan tersebut secara terbalik. Makalah Google minggu ini menunjukkan bahwa hal tersebut dapat dilakukan dengan sumber daya yang jauh lebih sedikit daripada yang pernah diperkirakan sebelumnya, dan dalam jangka waktu yang bersaing dengan konfirmasi blok bitcoin itu sendiri.

Inilah mengapa ancaman komputer kuantum yang dapat membobol enkripsi blockchain benar-benar membuat semua orang sangat khawatir.

Bagaimana serangan tersebut bekerja langkah demi langkah, apa yang secara khusus diubah oleh makalah Google, dan apa artinya bagi 6,9 juta bitcoin yang sudah terekspos, adalah topik dari bagian berikutnya dalam seri ini.