Een eenvoudige uitleg over wat quantum computing eigenlijk is, en waarom het beangstigend is voor bitcoin

Deze week publiceerde Google een artikel waarin wordt beschreven hoe een quantumcomputer theoretisch een bitcoin-privésleutel zou kunnen afleiden in 9 minuten, met gevolgen die zich uitstrekken tot Ethereum, andere tokens, private banking, en mogelijk alles in de wereld.

Quantum computing wordt gemakkelijk verward met een snellere versie van een reguliere computer. Maar het is geen krachtigere chip of een grotere serverfarm. Het is een fundamenteel ander type machine, verschillend op het niveau van het atoom zelf.

Een kwantumcomputer begint met een zeer koude, zeer kleine lus van metaal waar deeltjes zich beginnen te gedragen op manieren die ze onder normale omstandigheden op Aarde niet vertonen, manieren die de basisregels van de natuurkunde herdefiniëren.

Begrijpen wat dat fysiek betekent, is het verschil tussen lezen over de kwantumdreiging en deze daadwerkelijk doorgronden.

Hoe computers en quantumcomputers daadwerkelijk werken

Reguliere computers slaan informatie op als bits — elk is ofwel een 0 of een 1. Een bit is een klein schakelaartje. Fysiek is het een transistor op een “chip” — een microscopische poort die elektriciteit doorlaat (1) of juist niet (0).

Elke foto, elke bitcointransactie, elk woord dat je ooit hebt getypt wordt opgeslagen als patronen van deze schakelaars die aan of uit staan. Er is niets mysterieus aan een bit; het is een fysiek object in een van de twee duidelijke toestanden.

Elke berekening is in feite het heel snel herschikken van deze nullen en enen. Een moderne chip kan er miljarden van per seconde uitvoeren, maar doet ze nog steeds één voor één, achtereenvolgens.

Quantumcomputers gebruiken iets dat bekend staat als qubits in plaats van bits. Een qubit kan 0, 1 zijn, of — en dit is het vreemde deel — beide tegelijk!

Dit is mogelijk omdat een qubit een geheel ander type fysiek object is. De meest voorkomende versie, en degene die Google gebruikt, is een kleine lus van supergeleidend metaal die wordt gekoeld tot ongeveer 0,015 graden boven het absolute nulpunt, kouder dan de ruimte maar hier op aarde.

Bij die temperatuur stroomt elektriciteit zonder enige weerstand door de lus, en wordt gezegd dat de stroom zich in een kwantumtoestand bevindt.

In de supergeleidende lus kan de stroom met de klok mee vloeien (noem dat 0) of tegen de klok in (noem dat 1). Maar op kwantumschaal hoeft de stroom niet één richting te kiezen en vloeit daadwerkelijk gelijktijdig in beide richtingen.

Verwar het niet met het heel snel schakelen tussen de twee. De stroom is meetbaar, experimenteel en verifieerbaar tegelijkertijd in beide staten.

Verbluffende natuurkunde

Tot zover bij ons? Geweldig, want hier wordt het echt vreemd, omdat de fysica achter de werking niet direct intuïtief is, en dat is ook niet de bedoeling.

Alles waarmee iemand in het dagelijks leven interactie heeft, volgt de klassieke fysica, die ervan uitgaat dat dingen op één plaats op één moment zijn. Maar deeltjes gedragen zich op subatomair niveau niet op deze manier.

Een elektron heeft geen vaste positie totdat u ernaar kijkt. Een foton heeft geen vaste polarisatie totdat u deze meet. Een stroom in een supergeleidende lus stroomt niet in een vaste richting totdat u deze dwingt te kiezen.

De reden dat we dit niet in het dagelijks leven ervaren is decoherentie. Wanneer een kwantumsysteem interactie heeft met zijn omgeving, zoals luchtmoleculen, warmte, trillingen en licht, stort de superpositie vrijwel onmiddellijk in.

Een voetbal kan niet op twee plaatsen tegelijk zijn omdat het voortdurend interactie heeft met biljoenen luchtmoleculen, stof, geluid, warmte, gravitatie, enzovoort, elke nanoseconde. Maar isoleer een kleine stroom in een bijna absolute-nul vacuüm, bescherm deze tegen elke mogelijke verstoring, en het kwantumgedrag blijft lang genoeg behouden om mee te rekenen.

Daarom zijn kwantumcomputers zo moeilijk te bouwen. Mensen ontwerpen fysieke omgevingen waarin de natuurwetten die dit normaal gesproken verhinderen, slechts lang genoeg buiten werking worden gesteld om een berekening uit te voeren.

De machines van Google werken in verdunningskoelkasten ter grootte van enorme ruimtes, kouder dan alles in het natuurlijke universum, omgeven door lagen afscherming tegen elektromagnetische ruis, trillingen en thermische straling.

En de qubits zijn kwetsbaar zelfs dan. Zij verliezen voortdurend hun quantumtoestand, wat de reden is waarom "foutcorrectie" elke discussie over opschaling domineert.

Dus kwantumcomputing is geen snellere versie van klassieke computing. Het maakt gebruik van een andere reeks natuurkundige wetten die alleen gelden op extreem kleine schaal, bij extreem lage temperaturen en binnen extreem korte tijdsbestekken.

Stapel dat nu op.

Twee reguliere bits kunnen zich in een van de vier toestanden bevinden (00, 01, 10, 11), maar slechts één tegelijkertijd (aangezien de stroom slechts in één richting vloeit). Twee qubits kunnen alle vier de toestanden tegelijk vertegenwoordigen, omdat de stroom tegelijkertijd in alle richtingen vloeit.

Drie qubits vertegenwoordigen acht staten. Tien qubits vertegenwoordigen 1.024. Vijftig qubits vertegenwoordigen meer dan een biljard. Het aantal verdubbelt bij elke toegevoegde qubit, wat de exponentiële schaalvergroting verklaart.

De tweede truc is iets dat verstrengeling wordt genoemd. Wanneer twee qubits verstrengeld zijn, vertelt het meten van de één een waarnemer onmiddellijk iets over de ander, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dit stelt een kwantumcomputer in staat om over al die gelijktijdige toestanden te coördineren op een manier die reguliere parallelle computing niet kan.

En deze quantumcomputers zijn zo ingericht dat verkeerde antwoorden elkaar opheffen (zoals overlappende golven die vlak worden) en juiste antwoorden elkaar versterken (zoals golven die hoger opstapelen). Aan het einde van de berekening heeft het juiste antwoord de hoogste kans om gemeten te worden.

Dus het is niet brute-force snelheid. Het is een fundamenteel andere benadering van berekening — een die de natuur in staat stelt een exponentieel grote ruimte van mogelijkheden te verkennen en vervolgens via natuurkunde, in plaats van logica, tot het juiste antwoord te komen.

Een monumentale bedreiging voor cryptografie

Deze verbluffende natuurkunde is waarom het beangstigend is voor encryptie.

De wiskunde achter de bescherming van bitcoin berust op de veronderstelling dat het controleren van elke mogelijke sleutel langer zou duren dan de leeftijd van het universum.

Maar een kwantumcomputer controleert niet elke sleutel afzonderlijk. Hij verkent ze allemaal tegelijkertijd en gebruikt interferentie om de juiste naar voren te brengen.

Dat is waar het samenkomt met Bitcoin. In één richting, van private key naar public key, duurt het milliseconden. In de andere richting, van public key terug naar private key, zou een klassieke computer miljoenen jaren nodig hebben, of zelfs langer dan de leeftijd van het universum. Die asymmetrie is het enige bewijs dat iemand daadwerkelijk zijn munten bezit.

Een quantumcomputer die een algoritme genaamd Shor's draait, kan die achterdeur in omgekeerde richting doorlopen. Het artikel van Google deze week toonde aan dat dit met aanzienlijk minder middelen kan dan eerder werd geschat, en binnen een tijdsbestek dat concurreert met de blokkeringbevestigingen van bitcoin zelf.

Dit is de reden waarom de dreiging van quantumcomputers die blockchain-encryptie kunnen doorbreken, werkelijk iedereen zeer bezorgd maakt.

Hoe die aanval stap voor stap werkt, wat het specifieke wijzigingsvoorstel van Google inhoudt, en wat dit betekent voor de reeds blootgestelde 6,9 miljoen bitcoin, is het onderwerp van het volgende artikel in deze serie.