Простое объяснение того, что такое квантовые вычисления и почему они вызывают опасения для биткоина

На этой неделе компания Google опубликовала статью, в которой описывается, как квантовый компьютер теоретически может вычислить приватный ключ биткоина за 9 минут, с последствиями, которые распространяются на Ethereum, другие токены, частный банкинг и потенциально на всё в мире.

Квантовые вычисления легко принять за более быструю версию обычного компьютера. Но это не более мощный чип и не большая серверная ферма. Это принципиально иная машина, отличающаяся на уровне самого атома.

Квантовый компьютер начинается с очень холодного, очень маленького металлического кольца, где частицы начинают вести себя так, как они не ведут себя в нормальных условиях на Земле, образом, который меняет то, что мы считаем основными законами физики.

Понимание того, что это означает на практике, — это разница между чтением о квантовой угрозе и её реальным осмыслением.

Как на самом деле работают компьютеры и квантовые компьютеры

Обычные компьютеры хранят информацию в виде битов — каждый из которых представляет собой либо 0, либо 1. Бит — это крошечный переключатель. Физически это транзистор на «чипе» — микроскопический элемент, который либо пропускает электричество (1), либо нет (0).

Каждое фото, каждая транзакция с биткоином, каждое ваше написанное слово хранится в виде паттернов включения или выключения этих переключателей. В бите нет ничего таинственного; это физический объект, находящийся в одном из двух определённых состояний.

Каждое вычисление — это, по сути, быстрая перестановка этих 0 и 1. Современный чип может выполнять миллиарды таких операций в секунду, но при этом он всё равно обрабатывает их по одной, последовательно.

Квантовые компьютеры используют так называемые кубиты вместо битов. Кубит может быть 0, 1 или — и это самое интересное — одновременно и тем и другим!

Это возможно, поскольку кубит является совершенно иным физическим объектом. Наиболее распространённый вариант, который используется компанией Google, представляет собой крошечное кольцо из сверхпроводящего металла, охлаждённое примерно до 0,015 градуса выше абсолютного нуля, что холоднее, чем в космосе, но находится здесь, на Земле.

При этой температуре электричество проходит по цепи без сопротивления, и ток считается находящимся в квантовом состоянии.

В сверхпроводящем контуре ток может течь по часовой стрелке (обозначим это как 0) или против часовой стрелки (обозначим это как 1). Однако на квантовом уровне ток не обязан выбирать одно направление и фактически течет в обоих направлениях одновременно.

Не путайте это с быстрым переключением между двумя состояниями. Ток одновременно присутствует в двух состояниях, что подтверждается измерениями, экспериментами и верификацией.

Умопомрачительная физика

Понимаете, о чём речь? Отлично, потому что сейчас всё становится по-настоящему странным, так как физика, лежащая в основе его работы, не является сразу очевидной и не должна быть таковой.

Все, с чем человек взаимодействует в повседневной жизни, подчиняется классической физике, которая предполагает, что объекты находятся в одном месте в одно время. Однако частицы не ведут себя таким образом на субатомном уровне.

Электрон не имеет определённого положения до тех пор, пока вы на него не посмотрите. Фотон не обладает определённой поляризацией до тех пор, пока её не измерят. Ток в сверхпроводящей петле не течёт в определённом направлении, пока вы не заставите его выбрать направление.

Причина, по которой мы не сталкиваемся с этим в повседневной жизни, — это декогерентность. Когда квантовая система взаимодействует с окружающей средой, молекулами воздуха, теплом, вибрациями и светом, суперпозиция практически мгновенно рушится.

Футбольный мяч не может находиться в двух местах одновременно, поскольку он взаимодействует с триллионами молекул воздуха, пыли, звука, тепла, гравитации и так далее каждую наносекунду. Однако если изолировать крошечный ток в вакууме, близком к абсолютному нулю, и защитить его от всех возможных воздействий, квантовое поведение сохраняется достаточно долго для проведения вычислений.

Вот почему квантовые компьютеры так трудно создавать. Люди проектируют физические среды, в которых законы физики, которые обычно препятствуют таким процессам, удерживаются в стороне достаточно долго, чтобы выполнить вычисление.

Машины Google работают в холодильниках с разбавлением размером с огромные помещения, холоднее всего в естественной вселенной, окружены слоями экрана от электромагнитных помех, вибраций и теплового излучения.

И кубиты хрупки даже тогда. Они постоянно теряют своё квантовое состояние, именно поэтому «коррекция ошибок» занимает центральное место в каждом обсуждении масштабирования.

Таким образом, квантовые вычисления — это не более быстрая версия классических вычислений. Они используют иной набор физических законов, которые применимы только на чрезвычайно малых масштабах, при чрезвычайно низких температурах и в чрезвычайно короткие промежутки времени.

Теперь сложите это вместе.

Два обычных бита могут находиться в одном из четырёх состояний (00, 01, 10, 11), но только в одном из них одновременно (поскольку ток течёт только в одном направлении). Два кубита могут одновременно представлять все четыре состояния, так как ток течёт во всех направлениях одновременно.

Три кубита представляют восемь состояний. Десять кубитов — 1 024. Пятьдесят кубитов — более квадриллиона. Число удваивается с каждым добавленным кубитом, именно поэтому масштабирование является настолько экспоненциальным.

Второй прием называется запутанностью. Когда два кубита находятся в состоянии запутанности, измерение одного мгновенно сообщает наблюдателю информацию о другом, независимо от их расстояния друг от друга. Это позволяет квантовому компьютеру координировать работу по всем этим одновременным состояниям таким образом, который недоступен обычным параллельным вычислениям.

И эти квантовые компьютеры устроены таким образом, что неверные ответы взаимно уничтожаются (как накладывающиеся друг на друга волны, которые выравниваются), а правильные ответы усиливают друг друга (как волны, которые накладываются друг на друга и становятся выше). К концу вычисления правильный ответ обладает наивысшей вероятностью быть измеренным.

Таким образом, это не простая скорость перебора. Это принципиально иной подход к вычислениям — подход, который позволяет природе исследовать экспоненциально большой пространство возможностей, а затем с помощью физических процессов сводится к правильному ответу, а не к логике.

Монументальная угроза криптографии

Эта умопомрачительная физика — вот почему это страшно для шифрования.

Математика, обеспечивающая безопасность биткоина, основывается на предположении, что проверка каждого возможного ключа займёт времени больше, чем возраст вселенной.

Однако квантовый компьютер не проверяет каждый ключ по отдельности. Он исследует их все одновременно и использует интерференцию для выявления правильного ключа.

Вот где это связано с Биткоином. В одном направлении, от приватного ключа к публичному ключу, требуется миллисекунды. В обратном направлении, от публичного ключа к приватному ключу, классическому компьютеру понадобились бы миллионы лет или даже больше, чем возраст Вселенной. Эта асимметрия — единственное доказательство того, что человек действительно владеет своими монетами.

Квантовый компьютер, работающий по алгоритму, называемому алгоритмом Шора, может пройти через эту "лазейку" в обратном направлении. На этой неделе статья Google показала, что это можно сделать с гораздо меньшими ресурсами, чем предполагали ранее, и в рамках временных ограничений, которые конкурируют с подтверждениями блоков биткоина.

Вот почему угроза взлома блокчейн-шифрования квантовыми компьютерами действительно вызывает серьезную обеспокоенность у всех.

Как именно происходит эта атака шаг за шагом, что конкретно изменило исследование Google и что это означает для уже подвергшихся риску 6,9 миллиона биткоинов — тема следующей статьи в этой серии.