Квантовый выпуск: Что такое квантовые вычисления?

Детали

Из Квантового выпуска: взгляд на квантовый компьютер с высоты птичьего полёта — что это вообще такое и чем он отличается от обычных вычислений.

Что такое квантовые вычисления? Чем квантовый компьютер отличается от обычного? Какое отношение это имеет к Биткоину?

Новые биткоинеры неизбежно сталкиваются с этими вопросами и вынуждены разбираться с проблемами, которые они поднимают относительно уязвимости Биткоина перед тем, что является самой настоящей экзистенциальной угрозой его существованию, если жизнеспособный квантовый компьютер будет разработан.

Возможность владеть биткоином опирается на фундаментальное допущение, что без прямой утечки копии ключа никто, кроме обладателя приватного ключа, не может подписать транзакцию с монетами, защищёнными этим ключом. Квантовые вычисления ставят это допущение под сомнение.

Квантовые компьютеры — это не просто «компьютеры, но быстрее». Они функционируют принципиально иначе, чем классический компьютер, и поэтому гораздо эффективнее классических компьютеров в очень специфических видах вычислений. Разумеется, я не собираюсь в мельчайших деталях объяснять, как работают квантовые компьютеры, в пределах четырёх страниц, но я дам вам основную интуицию о том, чем они фундаментально отличаются от классического компьютера.

Итак, давайте посмотрим, как оба вида компьютеров взаимодействуют с такими вещами, как большие криптографические ключи.

Всё, что хранится в классическом компьютере (или просто «компьютере» далее по тексту), хранится в виде последовательности единиц и нулей. Каждый бит (1 или 0) — это строго 1 или 0; никакой неоднозначности нет. Когда фрагмент данных сохраняется, это единицы и нули. Когда фрагмент данных обрабатывается или изменяется, это делается бит за битом, шаг за шагом, над каждой единицей или нулём.

Именно так работает компьютер. Он линейно, шаг за шагом, изменяет дискретные однозначные фрагменты данных, которые хранит. Он не может перескочить вперёд или срезать путь (в смысле выполняемых шагов, а не более эффективных математических способов), он обязан проходить шаги любого вычисления один за другим.

Когда вы генерируете приватный ключ с помощью компьютера, он получает случайное значение (вы вводите данные с игральных костей, обычный пользовательский ввод, случайность от аппаратного обеспечения устройства и т. д.) и сохраняет его в памяти в виде единиц и нулей. Затем он должен умножить это значение на точку-генератор эллиптической кривой, чтобы получить публичный ключ. Это достигается с помощью алгоритма, который, если свести его к самому базовому уровню, буквально представляет собой инструкции о том, какие биты взять, как их изменить, по каким цепям «прогнать» их на физическом уровне, чтобы это осуществить, и в итоге поместить новое значение, изменённое бит за битом, обратно в память.

Существуют и другие шаги для получения действительного адреса, но для целей этой статьи в них нет необходимости углубляться (но они точно такие же, как шаг выше, — просто пошаговые инструкции о том, как изменять единицы и нули в памяти).

Так что, если кто-то захочет использовать компьютер, чтобы угадать чужой приватный ключ?

Существует 2^256 возможных приватных ключей. Это 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 различных возможных ключей.

Компьютеру пришлось бы перебирать каждый из этих возможных приватных ключей, один за другим (или столько за раз, сколько он может обрабатывать параллельно), шаг за шагом следуя точным инструкциям по генерации ключей, описанным выше. Чем больше ключей вы пытаетесь проверить параллельно, тем больше вычислительной мощности вам нужно, без какой-либо возможности найти обходные пути, чтобы сократить эти затраты.

Чем меньше вычислительной мощности вы хотите использовать, тем больше времени это займёт; чем меньше времени вы хотите на это потратить, тем больше вычислительной мощности вам нужно.

Это невыполнимая задача для компьютера. С одной стороны, вычислительные затраты настолько велики, что всех компьютеров на Земле недостаточно, чтобы их покрыть, а с другой — затраты времени настолько высоки, что каждая звезда во Вселенной погибнет, прежде чем вы проверите их все.

Чтобы действительно достичь своей цели, вам нужен другой вариант, кроме проверки по одному линейно или параллельно. Вот тут-то и появляются квантовые вычисления.

Квантовые компьютеры не работают с дискретными состояниями. Всё строго является либо 1, либо 0. Самая базовая единица информации в квантовом компьютере — это кубит (квантовая версия бита). В отличие от бита, кубит находится в суперпозиции, где он одновременно и 1, и 0. Он принимает одно из дискретных состояний только тогда, когда его наблюдают. 

Это один из ключевых строительных блоков, позволяющих квантовому компьютеру вычислять иначе. Второй — запутанность. Кубиты не хранятся изолированно: физические атомы, представляющие их и схлопывающиеся в дискретное состояние при наблюдении, запутаны друг с другом. Это означает, что когда запутанные атомы наблюдаются и схлопываются в одно состояние, запутанные атомы схлопываются в то же самое состояние, независимо от того, насколько далеко они друг от друга. 

Вот здесь всё становится странным, и мне придётся немного помахать руками; вы всё равно должны уйти с интуитивным пониманием того, почему квантовые компьютеры фундаментально отличаются от классических. Алгоритм на классическом компьютере — это набор инструкций, чтобы взять конкретный набор битов и шаг за шагом изменять их согласно инструкциям алгоритма, пока не будет получен и выведен итоговый набор новых битов. То есть алгоритм шаг за шагом превращает одно дискретное состояние в другое. 

Кубиты не хранят дискретные состояния, пока их не наблюдают и они не схлопываются в одно. Они хранят вероятности. Когда у вас есть набор запутанных кубитов любого заданного размера (как в этом гипотетическом случае 2 256 ), каждое возможное состояние, в которое он может схлопнуться, имеет определённую вероятность схлопывания в это заданное состояние. 

Квантовые алгоритмы, в отличие от пошаговых инструкций для работы с дискретными состояниями, представляют собой набор инструкций о том, как воздействовать на эти запутанные кубиты таким образом, чтобы изменить вероятности различных исходов. Конструктивная интерференция используется для повышения вероятности правильного исхода, а деструктивная интерференция — для снижения вероятности неправильных исходов (обратите внимание, что это НЕ тот шум или помехи, которые мешают физическим квантовым компьютерам работать точно; это другое понятие). 

Таким образом, если классическому компьютеру пришлось бы проверять каждый отдельный приватный ключ один за другим, чтобы найти тот, который соответствует конкретному публичному ключу, квантовый компьютер может просто запустить вычисление несколько раз с правильным алгоритмом и прийти к верному ответу. Он делает это не путём «проверки всех возможностей одновременно». Он просто изменяет вероятности того, во что схлопнется суперпозиция. 

Именно поэтому квантовый компьютер может сломать допущения, лежащие в основе криптографии на эллиптических кривых, а классический — не может (и поэтому же квантовые компьютеры полезны только для определённых типов вычислений с огромным возможным пространством кандидатов-ответов для проверки). 

Это фундаментальное различие между классическими и квантовыми вычислениями означает, что да, если действительно будет создан работоспособный квантовый компьютер, который функционирует правильно, то базовое допущение, защищающее биткоины всех пользователей, будет сломано. Все эти средства окажутся в опасности. 

Да, это серьёзный риск, если такое устройство действительно будет изготовлено и заработает, но мы не совсем неподготовлены. Мы понимаем проблему, понимаем степень уязвимости, и множество возможных решений для самых разных аспектов проблемы постепенно складываются воедино. 

Выдохните и расслабьтесь. В остальной части этого выпуска мы проведём вас через всю проблему. 

Этот материал опубликован в последнем печатном издании Bitcoin Magazine — The Quantum Issue. Мы делимся им здесь как ранним взглядом на идеи, раскрываемые на протяжении всего выпуска.

Liquid получает обратно 3 400 BTC после ончейн-переговоров; белые хакеры оставляют себе 598,5 BTC

Предполагаемые белые хакеры вывели 4 000 биткоинов из резервов федерации Liquid Network компании Blockstream

Министр финансов США Скотт Бессент «настоятельно призывает» Сенат принять Закон о ясности

Block Джека Дорси становится очередной биткоин-ориентированной компанией, подавшей заявку на банковскую хартию

Steak ‘n Shake сообщает о двузначном росте продаж после внедрения биткоина

Иран продолжает использовать биткоин для поддержания стабильности экономики: отчёт

Смотрите в прямом эфире, навёрстывайте пропущенные эпизоды и получайте эксклюзивный контент на ходу.

Bitcoin Magazine издаётся BTC Inc., дочерней компанией Nakamoto Inc. (NASDAQ: NAKA).

Связанные монеты

BTC

Источник

Bitcoin Magazine RSS