Просте пояснення того, що таке квантові обчислення насправді, і чому вони викликають занепокоєння для біткоїна

Цього тижня Google опублікувала статтю, в якій описано, як квантовий комп’ютер теоретично міг би отримати приватний ключ біткоїна у 9 хвилин, з наслідками, які поширюються на Ethereum, інші токени, приватне банківське обслуговування та потенційно на все у світі.

Квантові обчислення легко сплутати з більш швидкою версією звичайного комп’ютера. Але це не потужніший чіп і не більша серверна ферма. Це принципово інший тип машини, відмінний на рівні самої атомної складової.

Квантовий комп’ютер починається з дуже холодного, дуже малого металевого кільця, де частинки починають поводитися інакше, ніж за звичайних земних умов, способами, що змінюють наше уявлення про базові закони фізики.

Розуміння того, що це означає фізично, є різницею між читанням про квантову загрозу та її справжнім усвідомленням.

Як насправді працюють комп’ютери та квантові комп’ютери

Звичайні комп’ютери зберігають інформацію у вигляді бітів — кожен з яких є або 0, або 1. Біт — це крихітний перемикач. Фізично це транзистор на «чіпі» — мікроскопічний елемент, який або пропускає електрику (1), або ні (0).

Кожне фото, кожна транзакція біткойна, кожне слово, яке ви коли-небудь вводили, зберігається у вигляді візерунків увімкнення або вимкнення цих перемикачів. Немає нічого таємничого у біті; це фізичний об’єкт в одному з двох визначених станів.

Кожний обчислення — це просто дуже швидке переставлення цих 0 та 1. Сучасний чіп може виконувати мільярди таких операцій на секунду, але все одно виконує їх по одному, послідовно.

Квантові комп’ютери використовують так звані кубіти замість бітів. Кубіт може бути 0, 1 або — і це найцікавіше — одночасно обома!

Це можливо, оскільки кубіт є абсолютно іншим типом фізичного об’єкту. Найпоширеніший варіант, який використовує Google, — це крихітне коло з надпровідного металу, охолоджене до приблизно 0,015 градуса вище абсолютного нуля, холодніше за космічний простір, але тут, на Землі.

За цієї температури електрика протікає через контур без опору, і струм вважається таким, що перебуває в квантовому стані.

У надпровідному контурі струм може текти за годинниковою стрілкою (позначимо це як 0) або проти годинникової стрілки (позначимо це як 1). Проте на квантовому рівні струм не зобов’язаний обирати один напрямок і фактично тече в обох напрямках одночасно.

Не слід помилково вважати це швидкою зміною між двома станами. Потік вимірюється, експериментально підтверджується та перевіряється як у обох станах одночасно.

Фізика, що розум захоплює

З нами досі? Чудово, адже саме тут починається справжня дивність, оскільки фізика того, як це працює, не є відразу інтуїтивною, і так має бути.

Усе, з чим людина взаємодіє у повсякденному житті, підпорядковується класичній фізиці, яка припускає, що об’єкти знаходяться в одному місці в один час. Проте частинки не поводяться так на субатомному рівні.

Електрон не має визначеного положення, доки ви не спостерігаєте за ним. Фотон не має визначеної поляризації, доки ви її не виміряєте. Потік у надпровідному контурі не протікає в певному напрямку, доки ви не змусите його обрати.

Причина, чому ми не спостерігаємо цього у повсякденному житті, полягає в декогеренції. Коли квантова система взаємодіє з оточенням, молекулами повітря, теплом, вібраціями та світлом, суперпозиція майже миттєво розпадається.

Футбольний м’яч не може перебувати у двох місцях одночасно, оскільки він взаємодіє з трильйонами молекул повітря, пилу, звуку, тепла, гравітації тощо кожну наносекунду. Але якщо ізолювати дуже малий струм у вакуумі близькому до абсолютного нуля, захистити його від усіх можливих впливів, квантова поведінка зберігається достатньо довго для виконання обчислень.

Ось чому квантові комп'ютери так важко створити. Інженери створюють фізичні середовища, у яких закони фізики, що зазвичай заважають цьому відбуватися, дотримуються лише на достатньо тривалий час для проведення обчислення.

Машини Google працюють у розведених холодильниках розміром із величезні кімнати, холодніших за будь-що в природному Всесвіті, оточені шарами захисту від електромагнітного шуму, вібрацій та теплового випромінювання.

І кубіти є крихкими навіть тоді. Вони постійно втрачають свій квантовий стан, саме тому «корекція помилок» домінує в кожній розмові про масштабування.

Отже, квантові обчислення — це не швидша версія класичних обчислень. Вони використовують інший набір фізичних законів, які діють лише на надзвичайно малих масштабах, при надзвичайно низьких температурах та надзвичайно коротких часових проміжках.

Тепер підсумуйте це.

Два звичайні біти можуть перебувати в одному з чотирьох станів (00, 01, 10, 11), але лише в одному з них одночасно (оскільки струм тече тільки в одному напрямку). Два кубіти можуть представляти всі чотири стани одночасно, оскільки струм тече одночасно у всіх напрямках.

Три кубіти представляють вісім станів. Десять кубітів представляють 1 024. П’ятдесят кубітів представляють понад квадрильйон. Кількість подвоюється з кожним доданим кубітом, що і пояснює таку експоненційну масштабованість.

Другий трюк називається заплутаністю. Коли два кубіти заплутані, вимірювання одного миттєво повідомляє спостерігачу щось про інший, незалежно від того, наскільки далеко вони знаходяться один від одного. Це дозволяє квантовому комп’ютеру координувати всі ці одночасні стани таким чином, який звичайні паралельні обчислення не можуть забезпечити.

І ці квантові комп’ютери налаштовані таким чином, що неправильні відповіді взаємно виключають одна одну (як перекриваючіся хвилі, що вирівнюються), а правильні відповіді підсилюють одна одну (як хвилі, що нарощуються вище). Наприкінці обчислення правильна відповідь має найбільшу ймовірність бути виміряною.

Отже, це не швидкість грубої сили. Це принципово інший підхід до обчислень — такий, що дозволяє природі досліджувати експоненційно велику кількість можливостей, а потім через фізику, а не логіку, звужується до правильної відповіді.

Монументальна загроза криптографії

Ця захоплююча фізика є причиною того, чому шифрування є лякаючим.

Математика, що захищає біткойн, базується на припущенні, що перевірка кожного можливого ключа займе більше часу, ніж вік Всесвіту.

Але квантовий комп’ютер не перевіряє кожен ключ окремо. Він досліджує їх усі одночасно та використовує інтерференцію для виявлення правильного.

Ось де це пов’язано з Біткоїном. Рух в одному напрямку, від приватного ключа до публічного ключа, займає долі секунди. Рух у зворотному напрямку, від публічного ключа до приватного ключа, зайняв би класичному комп’ютеру мільйон років, або навіть більше за вік Всесвіту. Ця асиметрія є єдиним доказом того, що особа володіє своїми монетами.

Квантовий комп’ютер, що використовує алгоритм Шора, може пройти через цю пастку у зворотному напрямку. Стаття Google цього тижня показала, що це можна зробити з набагато меншою кількістю ресурсів, ніж раніше оцінювали, і в термін, що конкурує з підтвердженнями блоків біткоїна.

Ось чому загроза того, що квантові комп’ютери зламають шифрування блокчейну, справді викликає серйозне занепокоєння у всіх.

Як працює ця атака крок за кроком, що саме змінилося у статті Google, і що це означає для 6,9 мільйона біткоїнів, які вже опинилися під загрозою, – це тема наступної частини цієї серії.