The Quantum Issue: WTF Is Quantum Computing?

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Da The Quantum Issue: uno sguardo ad alto livello al computer quantistico, a cosa sia davvero e a come si differenzi dal calcolo convenzionale.

Cos'è il calcolo quantistico? In che modo un computer quantistico è diverso da un computer normale? Che rilevanza ha tutto questo per Bitcoin?

I nuovi Bitcoiner si sono inevitabilmente imbattuti in queste domande e hanno dovuto affrontare le questioni che sollevano riguardo all'esposizione di Bitcoin a quella che è a tutti gli effetti una minaccia esistenziale per la sua esistenza, qualora venisse sviluppato un computer quantistico funzionante.

La capacità di possedere bitcoin si basa sul presupposto fondamentale che, senza far trapelare direttamente una copia della chiave, nessuno tranne la persona che possiede una chiave privata possa firmare per transare con le monete protette da quella chiave. Il calcolo quantistico mette in discussione questo presupposto.

I computer quantistici non sono semplicemente "computer, ma più veloci". Funzionano in un modo fondamentalmente molto diverso da un computer classico e, in quanto tali, sono molto più efficienti dei computer classici in tipi di calcolo molto specifici. Ora, ovviamente, non ho intenzione di spiegare davvero come funzionano i computer quantistici in minuzioso dettaglio nell'arco di quattro pagine, ma vi darò l'intuizione centrale di come siano fondamentalmente diversi da un computer classico.

Diamo quindi un'occhiata a come entrambi i tipi di computer interagiscono con cose come le grandi chiavi crittografiche.

Tutto ciò che è memorizzato in un computer classico (o semplicemente computer da qui in avanti) è memorizzato come una serie di 1 e 0. Ogni bit (1 o 0) è precisamente un 1 o uno 0; non c'è ambiguità. Quando un dato viene memorizzato, sono 1 e 0. Quando un dato viene manipolato o modificato, ciò avviene bit per bit, passo dopo passo, su ogni 1 o 0.

È così che funziona un computer. Modifica linearmente, un passo dopo l'altro, i pezzi discreti e non ambigui di dati che sta memorizzando. Non può saltare avanti, né prendere scorciatoie (in termini di passi che compie, non di modi matematicamente più efficienti di fare le cose), deve seguire i passi di qualunque calcolo stia eseguendo uno per uno.

Quando si genera una chiave privata usando un computer, questo acquisisce un valore casuale (dadi inseriti dall'utente, input generale dell'utente, casualità dall'hardware del dispositivo, ecc.) e lo memorizza in memoria come 1 e 0. Da lì deve moltiplicare questo valore per il punto generatore della curva ellittica per ottenere una chiave pubblica. Ciò si realizza con un algoritmo che, ridotto al suo livello più basilare, è letteralmente un insieme di istruzioni su quali bit prendere, come modificarli, attraverso quali circuiti "spingerli" a livello fisico per ottenere ciò, e alla fine rimettere in memoria il nuovo valore che è stato modificato bit per bit.

Ci sono altri passaggi per arrivare a un indirizzo effettivamente valido, ma ai fini di questo articolo non è necessario approfondirli (sono comunque come il passaggio precedente, solo istruzioni passo dopo passo su come modificare 1 e 0 in memoria).

E se qualcuno volesse usare un computer per indovinare la chiave privata di qualcun altro?

Ci sono 2^256 possibili chiavi private. Sono 115.792.089.237.316.195.423.570.985.008.687.907.853.269.984.665.640.564.039.457.584.007.913.129.639.936 diverse chiavi possibili.

Un computer dovrebbe provare ognuna di quelle possibili chiavi private, una dopo l'altra (o quante alla volta riesce a farne in parallelo), passo dopo passo seguendo le istruzioni esatte sopra riportate per generare le chiavi. Più chiavi si cerca di controllare in parallelo, più potenza di calcolo serve, senza alcuna possibilità di trovare scorciatoie attorno a quel costo.

Meno potenza di calcolo si vuole usare, più tempo ci vorrà; meno tempo si vuole che richieda, più potenza di calcolo serve.

Questo è un compito impossibile da realizzare con un computer. Da un lato c'è un costo di calcolo che tutti i computer sulla Terra messi insieme non bastano a pagare, e dall'altro c'è un costo in termini di tempo così alto che ogni stella dell'universo morirebbe prima di averle controllate tutte.

Per raggiungere davvero il proprio obiettivo, serve un'altra opzione oltre al controllo uno per uno in modo lineare o in parallelo. È qui che entra in gioco il calcolo quantistico.

I computer quantistici non funzionano con stati discreti. Tutto è esattamente un 1 o uno 0. L’unità di informazione più elementare in un computer quantistico è il qubit (la versione quantistica del bit). A differenza di un bit, un qubit si trova in una sovrapposizione in cui è simultaneamente sia 1 sia 0. Si stabilizza in uno o nell’altro stato discreto solo quando viene osservato. 

Questo è uno dei mattoni fondamentali che consentono a un computer quantistico di calcolare in modo diverso. L’altro è l’entanglement. I qubit non sono semplicemente conservati in isolamento: gli atomi fisici che li rappresentano e che collassano in uno stato discreto quando osservati sono entangled tra loro. Ciò significa che quando gli atomi entangled vengono osservati e collassano in un singolo stato, gli atomi entangled collassano nello stesso stato, indipendentemente da quanto siano distanti. 

Ora è qui che le cose si fanno strane, e dovrò essere un po’ approssimativo; dovreste comunque uscirne con una comprensione intuitiva del perché i computer quantistici siano fondamentalmente diversi da un computer classico. Un algoritmo su un computer classico è un insieme di istruzioni per prendere un insieme specifico di bit e modificarli passo dopo passo secondo le istruzioni dell’algoritmo, fino a terminare e restituire l’insieme finito di nuovi bit. Quindi l’algoritmo, passo dopo passo, prende uno stato discreto e lo trasforma in un altro. 

I qubit non memorizzano stati discreti finché non vengono osservati e collassano in uno solo. Memorizzano probabilità. Quando si ha un insieme di qubit entangled di una data dimensione (come in questo ipotetico caso 2 256 ), ogni possibile stato in cui può collassare ha una certa probabilità di collassare in quello specifico stato. 

Gli algoritmi quantistici, invece di essere istruzioni passo dopo passo per operare su stati discreti, sono un insieme di istruzioni su come operare su quei qubit entangled in modo da alterare le probabilità di risultati diversi. L’interferenza costruttiva viene usata per aumentare la probabilità di un risultato corretto, e l’interferenza distruttiva per diminuire la probabilità di risultati errati (si noti che questo NON è il rumore o l’interferenza che rende difficile il funzionamento accurato dei computer quantistici fisici; è un concetto diverso). 

Quindi, mentre un computer classico dovrebbe controllare ogni singola chiave privata una per una per trovare quella corrispondente a una specifica chiave pubblica, un computer quantistico può semplicemente essere eseguito poche volte usando l’algoritmo giusto e arrivare alla risposta corretta. Non lo fa “controllando tutte le possibilità contemporaneamente”. Modifica semplicemente le probabilità di ciò in cui una sovrapposizione collasserà. 

È per questo che un computer quantistico potrebbe infrangere le assunzioni alla base della crittografia a curva ellittica, mentre un computer classico non potrebbe (ed è anche il motivo per cui i computer quantistici sono utili solo per certi tipi di calcoli con uno spazio enorme di possibili risposte candidate da verificare). 

Questa differenza fondamentale tra calcolo classico e quantistico significa che, sì, se venisse effettivamente prodotto un computer quantistico funzionante e correttamente operativo, allora l’assunzione di base che protegge i bitcoin individuali di tutti i Bitcoiner verrebbe infranta. Tutti quei fondi sarebbero insicuri. 

Sì, questo è un rischio serio se un dispositivo del genere venisse effettivamente prodotto e funzionasse, ma non siamo del tutto impreparati. Comprendiamo il problema, comprendiamo l’esposizione e un buon numero di possibili soluzioni a molteplici aspetti del problema stanno convergendo. 

Respirate e rilassatevi. Nel resto di questo numero vi accompagneremo attraverso l’intero problema. 

Questo pezzo è presente nell’ultima edizione cartacea di Bitcoin Magazine, The Quantum Issue. Lo condividiamo qui come anteprima delle idee esplorate nell’intero numero.

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