На этой неделе Google опубликовала исследовательскую статью, описывающую, как — теоретически — квантовый компьютер может вычислить приватный ключ Bitcoin за 9 минут, запуская цепную реакцию с последствиями для Ethereum, других токенов, частных банков и, возможно, для всего в этом мире.
Квантовый компьютер легко ошибочно принять за более быструю версию обычного компьютера. Но это не более мощный чип и не большая связка серверов. Это совершенно другой тип машины — и отличается уже на уровне атомов.
Квантовый компьютер начинается с очень маленького металлического кольца — очень холодного, — где частицы начинают вести себя так, как они не ведут себя в обычных условиях на Земле, и это меняет то, что мы по-прежнему считаем базовыми физическими законами.
Понять это — в физическом смысле означает провести грань между тем, чтобы просто читать о квантовой угрозе, и тем, чтобы действительно взять её в руки.
Как на самом деле работают компьютеры и квантовые компьютеры
Обычный компьютер хранит информацию в битах — каждый бит может быть 0 или 1. Бит — это сверхмикроскопический переключатель. С физической точки зрения это транзистор на «чипе»: микровыключатель, который пропускает ток (1) или не пропускает ток (0).
Все изображения, все транзакции Bitcoin, все слова, которые вы когда-либо печатали, хранятся именно как такие шаблоны включён/выключен. В бите нет ничего загадочного; это физический объект в одном из двух строго определённых состояний.
Любые простые вычисления — это лишь очень быстрое упорядочивание этих нулей и единиц. Современный чип может выполнять такие операции на миллиарды в секунду, но всё равно делает их одну за другой, в определённом порядке.
Квантовый компьютер использует то, что называется кубитом, вместо бита. Кубит может быть 0, 1 — или и вот где начинается странность — сразу оба состояния одновременно!
Это возможно, потому что кубит — это совершенно другой тип физического объекта. Самый распространённый вариант, и именно его использует Google, — это сверхмалое сверхпроводящее металлическое кольцо, охлаждённое примерно до 0,015 градуса выше абсолютного нуля: холоднее, чем где бы то ни было в природе, но при этом всё ещё находящееся на Земле.
При такой температуре ток проходит через кольцо без сопротивления, и предполагается, что ток находится в квантовом состоянии.
В сверхпроводящем кольце ток может идти по часовой стрелке (это называют 0) или против часовой стрелки (это называют 1). Но на квантовой шкале ток не обязан выбирать одно направление и реально течь по обоим направлениям одновременно.
Не путайте это с тем, чтобы быстро переключаться между двумя состояниями. Этот ток можно измерить: подтверждается экспериментально и наблюдением, что он находится одновременно в обоих состояниях.
Поражающая воображение физика
Пока что всё ок? Отлично, потому что дальше начинается по-настоящему странная часть: физика, стоящая за тем, как всё это работает, совершенно не интуитивна сразу, и её вообще не создавали для интуиции.
Всё, с чем люди взаимодействуют каждый день, подчиняется классической физике, которая предполагает, что объект находится в одном месте в один момент времени. Но на сверхмалых масштабах частицы ведут себя иначе.
Электрон не имеет определённого положения, пока вы не посмотрите на него. Фотон не имеет определённой поляризации, пока вы не измерите его. Ток в сверхпроводящем кольце не течёт в определённом направлении, пока вы не заставите его выбрать.
Причина, по которой мы не сталкиваемся с этим в обычной жизни, — потеря квантовой когерентности. Когда квантовая система взаимодействует со своей средой — молекулами воздуха, теплом, вибрациями и светом, — состояние суперпозиции рушится почти сразу.
Футбольный мяч не может находиться в двух местах одновременно, потому что он взаимодействует с триллионами молекул воздуха, пыли, звука, тепла, гравитации и т.д. каждую наносекунду. Но если изолировать крайне маленький ток в среде вакуума близ абсолютного нуля, защитив его от любых возможных помех, то квантовое поведение сохранится достаточно долго, чтобы выполнять вычисления.
Вот почему квантовые компьютеры так трудно создавать. Учёные проектируют физические среды, в которых законы, обычно препятствующие возникновению такого эффекта, подавляются достаточно долго, чтобы выполнить вычисление.
Машины Google работают в устройствах для разбавляющих холодильников размером примерно с большие комнаты — холоднее всего, что вообще существует в природе, — и они окружены множеством слоёв экранирования от электромагнитных помех, вибраций и теплового излучения.
И при этом кубиты всё равно чрезвычайно хрупкие даже в таких условиях. Они теряют квантовое состояние постоянно, поэтому «исправление ошибок» становится центральной темой всех обсуждений по масштабированию.
Поэтому квантовый компьютер — это не просто более быстрая версия классического. Он использует набор других физических правил, которые применимы только на предельно малых масштабах, при экстремально низких температурах и на крайне коротких промежутках времени.
Теперь умножьте это.
Два обычных бита могут находиться в одном из четырёх состояний (00, 01, 10, 11), но только в одном состоянии в один момент (потому что ток течёт в одном направлении). Два кубита могут представлять все четыре состояния одновременно, потому что ток течёт во всех направлениях одновременно.
Три кубита представляют восемь состояний. Десять кубитов — 1.024. Пятьдесят кубитов — больше одного миллиона миллиардов. Число удваивается с каждым добавленным кубитом, поэтому масштабирование происходит крайне экспоненциально.
Второй приём называется квантовой запутанностью. Когда два кубита запутаны, измерение одного кубита мгновенно сообщает наблюдателю информацию о другом кубите, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Это позволяет квантовому компьютеру синхронизировать вычисления по всей совокупности состояний одновременно так, как обычные параллельные вычисления не могут.
А эти квантовые компьютеры настроены так, что неверные ответы взаимно уничтожаются (как волны, которые накладываются друг на друга и выравниваются), а правильные усиливаются (как когда волны накладываются и суммируются). В конце вычисления вероятность увидеть правильный ответ оказывается максимальной.
Поэтому это не скорость брутфорса. Это совершенно другой способ вычислений — способ, при котором сама природа исследует пространство возможностей, растущее экспоненциально, а затем «схлопывает» его до правильного ответа через физику, а не через логику.
Огромная угроза для криптографии
Именно эта поражающая воображение физика делает это страшным для шифрования.
Математика, которая защищает Bitcoin, основана на предположении, что проверка всех ключей займёт больше времени, чем существует Вселенная.
Но квантовый компьютер не перебирает каждый ключ. Он исследует всё сразу и использует интерференцию, чтобы вывести правильный ответ.
В этом и заключается связь с Bitcoin. В одном направлении — от приватного ключа к публичному — это занимает всего несколько миллисекунд. В обратном направлении — от публичного ключа к приватному — классический компьютер тратит миллион лет или даже дольше, чем существует Вселенная. Именно эта асимметрия и доказывает, что кто-то контролирует свои монеты.
Квантовый компьютер, работающий по алгоритму Shor, может пройти через этот «барьер». Исследование Google на этой неделе показывает, что он может сделать это с гораздо меньшими ресурсами, чем все рассчитывали раньше, и за промежуток времени, конкурирующий напрямую со временем подтверждения блока Bitcoin.
Вот почему угроза со стороны квантовых компьютеров, способных ломать шифрование блокчейна, действительно вызывает беспокойство у многих.
То, как именно проходит такая атака пошагово, что именно изменила в своём исследовании Google и что это означает для 6,9 миллиона bitcoin, которые уже оказались раскрыты, станет темой следующей части этой серии.
