Будет ли квантовое вычисление компрометировать криптографию биткоина?

Криптография биткоина невосприимчива к классическим компьютерам

Криптография биткоина в настоящее время неуязвима. Например, команда людей, которые годами работали над грубым применением закрытых ключей биткоина, объединяя огромное количество вычислительных ресурсов и знаний в области программирования в так называемый Большой биткоин-коллаидер, еще не взломала ни одного закрытого ключа биткоина. Статистический анализ показывает, что пройдет 3,44 * 10 ^ 24 года, прежде чем первый ключ будет сломан Большим биткоин-коллайдером, который на несколько порядков длиннее, чем возраст вселенной.

Кроме того, эволюция классических вычислений достигает своих физических пределов благодаря квантовому туннелированию, Компьютерная вычислительная мощность в течение длительного времени экспоненциально возрастала в соответствии с законом Мура, согласно которому число транзисторов в плотной интегральной схеме, то есть в микросхеме, удваивается каждые два года. До сих пор закон Мура был по существу верен, но теперь транзисторы становятся настолько маленькими, что квантовое туннелирование становится серьезной проблемой. По сути, когда транзисторы становятся достаточно маленькими, электроны могут телепортироваться через физические барьеры в транзисторе, что ставит под угрозу целостность всего компьютера. Ученые придумали хитрые способы уменьшить размеры транзисторов до 5 нм и 3 нм, но все больше и больше времени требуется на исследования и разработку меньших транзисторов, а выигрыш в эффективности от уменьшения размеров транзисторов уменьшается. Таким образом, закон Мура уже разрушается.

Квантовые компьютеры могут однажды стать более мощными, чем классические компьютеры

Тот факт, что классические компьютеры приближаются к своему эволюционному физическому пределу, говорит о том, что криптография биткоина всегда будет неприступной, но есть одно важное предостережение.

Квантовые компьютеры могут превзойти классические компьютеры, и ожидается, что это может произойти в любой год. Если это произойдет, это будет названо квантовым преимуществом, и, возможно, это может в конечном итоге привести к компрометации криптографии биткоина, что будет рассмотрено в оставшейся части этой статьи.

Важно понять разницу между классическими компьютерами и квантовыми компьютерами, прежде чем объяснить, каким образом квантовые компьютеры могут в конечном итоге стать достаточно мощными, чтобы поставить под угрозу криптографию биткоина. Классический компьютер использует биты, которые имеют состояния 0 и 1. По сути, основой классических компьютеров является двоичный язык, который скомпрометирован из нулей и единиц, и это физически представлено двумя уровнями напряжения или тока, которые допускаются схемой. Два разных уровня интенсивности света или два направления намагниченности или поляризации также могут содержать биты.

Квантовый компьютер, с другой стороны, использует кубиты, которые физически представлены спином электрона или поляризацией фотона. В то время как классический компьютерный бит может иметь только состояния 0 и 1, кубит имеет состояния 0 и 1, а также любую квантовую суперпозициюэтих двух состояний. Квантовая суперпозиция – это принцип, согласно которому квантовые состояния могут складываться друг с другом и становиться другим действительным квантовым состоянием.

Математически у кубита может быть 2 ^ N состояний, где N – количество кубитов в компьютере. Поэтому число состояний в квантовом компьютере экспоненциально возрастает с увеличением числа кубитов в компьютере.

Кроме того, квантовое запутывание приводит к тому, что квантовые частицы обмениваются характеристиками друг с другом, либо из-за того, что они генерируются вместе, либо взаимодействуют в некоторой точке, либо находятся в непосредственной близости. Квантовая запутанность позволяет одновременно воздействовать на множество состояний в кубите, что увеличивает мощность квантового компьютера. Кроме того, квантовая запутанность полезна для квантовой криптографии.

Квантовые компьютеры сталкиваются с серьезными проблемами

Хотя будущее квантовых компьютеров выглядит многообещающим из-за экспоненциального увеличения вычислительной мощности, которая получается при добавлении каждого последующего кубита, это легче сказать, чем сделать. Первый «коммерческий» квантовый компьютер, то есть доступ к нему через Интернет для выполнения научных задач, – это IBM Q System One с 20 кубитами. По сути, это прототип, и он полезен как песочница для разработки квантовых языков программирования, но он не более мощный, чем классические суперкомпьютеры. Кроме того, Google разработал квантовый компьютер под названием Bristlecone, который имеет 72 кубита, но он также слабее, чем классические суперкомпьютеры.

This is #IBMQ System One, the world’s first fully integrated universal quantum system. Learn more: https://t.co/i5XKncCpXL pic.twitter.com/v8ge3RImqq

— IBM (@IBM) January 15, 2019

Квантовый компьютер, который утверждает, что имеет наибольшее количество кубитов, – это D-волна, которая имеет 2000 кубитов. Тем не менее, D-Wave – это компьютер с квантовым отжигом, который не сможет атаковать криптографию биткоина.

Спецификации D-Wave показывают проблемы, с которыми сталкиваются квантовые компьютеры. Волна D переохлаждена до 0,015 Кельвина, которая в 180 раз холоднее межзвездного пространства, имеет давление в 10 миллиардов раз ниже, чем атмосфера Земли, и экранирована, поэтому магнитное поле вокруг компьютера в 50 000 раз меньше магнитного поля Земли.

D-Wave Announces D-Wave 2000Q Quantum Computer and First Customer Order! https://t.co/Ez5HKyYIrB pic.twitter.com/SamiApfWTj

— D-Wave Systems (@dwavesys) January 24, 2017

По сути, малейшей электромагнитной или вызванной теплом вибрации или даже столкновения с воздушной частицей достаточно, чтобы разрушить вычисления современных квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры в основном должны иметь абсолютно нулевую температуру, находясь в вакууме, а также не иметь электромагнитных волн, чтобы функционировать правильно. Это довольно сложно, учитывая, что сам квантовый компьютер генерирует тепло и магнетизм. Сейчас, квантовые компьютеры очень подвержены ошибкам и не готовы к коммерческому или розничному использованию.

Google надеется, что Bristlecone вскоре сможет достичь квантового превосходства, а это означает, что их квантовый компьютер превзойдет самый мощный классический суперкомпьютер по конкретной известной проблеме информатики. Следующим шагом после этого будет достижение квантового преимущества, что означает, что квантовый компьютер превзойдет классические компьютеры по полезной задаче. Даже с квантовым преимуществом все равно потребуется время, прежде чем квантовые компьютеры смогут превзойти классические компьютеры в каждой задаче.

Квантовые компьютеры могут однажды взломать криптографию биткоина, но биткоин может использовать квантовую криптографию, чтобы преодолеть это

Очевидно, что квантовые компьютеры не конкурируют с классическими компьютерами на текущем этапе, хотя, возможно, в будущем квантовая технология будет усовершенствована, и квантовые компьютеры станут намного более мощными, чем классические компьютеры.

Если технология квантовых компьютеров будет усовершенствована, то, по оценкам, потребуется 1500 кубитов, чтобы иметь достаточную вычислительную мощность для взлома закрытых ключей биткоина. Биткоин уже имеет некоторое квантовое сопротивление, так как большинство пользователей биткоина меняют свой адрес при каждой транзакции. Могут пройти десятилетия с момента, когда квантовый компьютер впервые взломает закрытый ключ биткоина, до того, как квантовые компьютеры станут достаточно быстрыми, чтобы за короткий промежуток времени сломать ключ между генерируемым биткоин-адресом, отправкой транзакции на адрес и получением транзакции.

Тем не менее, вполне возможно, что квантовые компьютеры станут достаточно мощными, чтобы поставить под угрозу текущую криптографию биткоина, и, по оценкам, криптография биткоина может стать небезопасной примерно в 2030-2040 годах.

Биткоин мог бы просто мягко раскошелиться в этой точке на квантовую криптографию, и действительно, квантовая криптография является окончательной эволюцией криптографии. Это потому, что квантовые ключи значительно изменяются или уничтожаются, если кто-то пытается их перехватить, поэтому даже бесконечно мощный компьютер не сможет взломать квантовые ключи.

Следовательно, хотя квантовые вычисления в долгосрочной перспективе представляют угрозу для биткоина, одновременное развитие квантовой криптографии может привести к тому, что Биткойн станет более безопасным, чем когда-либо прежде.