Tuần này, Google đã công bố một bài báo mô tả cách một máy tính lượng tử về mặt lý thuyết có thể suy ra khóa riêng của bitcoin trong 9 phút, với những hệ quả trải rộng đến Ethereum, các token khác, ngân hàng tư nhân và có khả năng là mọi thứ trên khắp thế giới.
Máy tính lượng tử rất dễ bị nhầm là một phiên bản nhanh hơn của máy tính thông thường. Nhưng nó không phải là một con chip mạnh hơn hay một trang trại máy chủ lớn hơn. Nó là một loại máy hoàn toàn khác, khác ngay ở cấp độ nguyên tử.
Một máy tính lượng tử bắt đầu với một vòng kim loại rất lạnh, rất nhỏ, nơi các hạt bắt đầu cư xử theo những cách mà chúng không cư xử trong điều kiện bình thường trên Trái Đất—những cách làm thay đổi những gì chúng ta coi là các quy tắc cơ bản của vật lý.
Hiểu điều đó có nghĩa về mặt vật lý là sự khác biệt giữa việc đọc về mối đe dọa lượng tử và thực sự nắm bắt nó.
Cách máy tính và máy tính lượng tử thực sự hoạt động
Các máy tính thông thường lưu trữ thông tin dưới dạng bit — mỗi bit là một trong hai giá trị 0 hoặc 1. Một bit là một công tắc nhỏ. Về mặt vật lý, đó là một transistor trên một “chip” — một cổng vi mô cho phép dòng điện đi qua (1) hoặc không cho đi qua (0).
Mọi bức ảnh, mọi giao dịch bitcoin, mọi từ bạn từng gõ đều được lưu trữ dưới dạng các mẫu của những công tắc này bật hoặc tắt. Không có gì bí ẩn về một bit; nó là một đối tượng vật lý ở một trong hai trạng thái xác định.
Mọi phép tính chỉ là xáo trộn thật nhanh các số 0 và 1 này. Một chip hiện đại có thể thực hiện hàng tỷ phép mỗi giây, nhưng vẫn làm chúng từng cái một, theo trình tự.
Máy tính lượng tử sử dụng cái gọi là qubit thay vì bit. Một qubit có thể là 0, 1, hoặc — và đây là phần kỳ lạ — cả hai cùng một lúc!
Điều này có thể xảy ra vì một qubit là một loại đối tượng vật lý hoàn toàn khác. Phiên bản phổ biến nhất, và là phiên bản mà Google dùng, là một vòng lặp kim loại siêu dẫn cực nhỏ được làm lạnh đến khoảng 0.015 độ trên không tuyệt đối, lạnh hơn cả không gian vũ trụ nhưng lại nằm ngay trên Trái Đất.
Ở nhiệt độ đó, điện chạy qua vòng mà không có điện trở, và người ta nói rằng dòng điện tồn tại ở một trạng thái lượng tử.
Trong vòng lặp siêu dẫn, dòng điện có thể chạy theo chiều kim đồng hồ (gọi đó là 0) hoặc ngược chiều kim đồng hồ (gọi đó là 1). Nhưng ở quy mô lượng tử, dòng điện không nhất thiết phải chọn một hướng và thực sự chảy theo cả hai hướng đồng thời.
Đừng nhầm nó với việc chuyển đổi giữa hai trạng thái đó thật nhanh. Dòng điện được đo đạc, thí nghiệm và xác minh là cùng lúc tồn tại ở cả hai trạng thái.
(CoinDesk)
Vật lý làm người ta choáng váng
Cho đến đây với chúng ta chứ? Tốt, vì đây là lúc mọi thứ trở nên thật sự kỳ lạ, bởi vì phần vật lý nằm sau cách nó hoạt động không hề trực quan ngay, và nó cũng không được cho là trực quan.
Mọi thứ mà một người tương tác trong cuộc sống hằng ngày đều tuân theo vật lý cổ điển, giả định rằng các sự vật nằm ở một nơi tại một thời điểm. Nhưng các hạt không cư xử theo cách này ở cấp độ dưới nguyên tử.
Một electron không có vị trí xác định cho đến khi bạn nhìn vào nó. Một photon không có phân cực xác định cho đến khi bạn đo nó. Một dòng điện trong vòng lặp siêu dẫn không chảy theo một hướng xác định cho đến khi bạn buộc nó phải chọn.
Lý do chúng ta không trải nghiệm điều này trong đời thường là do khử kết hợp (decoherence). Khi một hệ lượng tử tương tác với môi trường của nó—phân tử không khí, nhiệt, dao động và ánh sáng—sự chồng chất sẽ sụp đổ gần như ngay lập tức.
Một quả bóng đá không thể ở hai nơi cùng lúc vì nó đang tương tác với hàng nghìn tỷ phân tử không khí, bụi, âm thanh, nhiệt, lực hấp dẫn, v.v., mỗi nanosecond. Nhưng hãy cô lập một dòng điện nhỏ bé trong một chân không gần không tuyệt đối, che chắn nó khỏi mọi nhiễu loạn có thể, và hành vi lượng tử sẽ tồn tại đủ lâu để tính toán.
Đó là lý do máy tính lượng tử khó chế tạo đến vậy. Con người đang thiết kế các môi trường vật lý trong đó các định luật vật lý thường ngăn cản việc những thứ như vậy xảy ra sẽ được giữ ở khoảng cách đủ lâu để chạy một phép tính.
Các máy của Google vận hành trong các tủ lạnh pha loãng có kích thước như những căn phòng khổng lồ, lạnh hơn bất cứ thứ gì trong vũ trụ tự nhiên, được bao quanh bởi nhiều lớp che chắn chống nhiễu điện từ, rung động và bức xạ nhiệt.
Và các qubit dễ vỡ ngay cả trong trường hợp đó. Chúng liên tục mất trạng thái lượng tử, đó là lý do tại sao “sửa lỗi” thống trị mọi cuộc trò chuyện về việc mở rộng quy mô.
Vì vậy, điện toán lượng tử không phải là phiên bản nhanh hơn của điện toán cổ điển. Nó khai thác một tập hợp các định luật vật lý khác, chỉ áp dụng ở những quy mô cực kỳ nhỏ, nhiệt độ cực kỳ thấp, và khung thời gian cực kỳ ngắn.
(CoinDesk)
Bây giờ hãy xếp các điều đó lại.
Hai bit thông thường có thể ở một trong bốn trạng thái (00, 01, 10, 11), nhưng chỉ một trạng thái tại một thời điểm (vì dòng điện chỉ chảy theo một hướng). Hai qubit có thể biểu diễn đồng thời cả bốn trạng thái, vì dòng điện đang chảy theo mọi hướng cùng một lúc.
Ba qubit biểu diễn tám trạng thái. Mười qubit biểu diễn 1,024. Năm mươi qubit biểu diễn hơn một phần tưadrillion. Số lượng tăng gấp đôi với mỗi qubit được thêm vào, đó là lý do việc mở rộng có tính mũ đến vậy.
Mẹo thứ hai là một thứ gọi là vướng víu (entanglement). Khi hai qubit bị vướng víu, việc đo một qubit sẽ lập tức cho một người quan sát biết điều gì đó về qubit còn lại, bất kể chúng ở cách xa nhau đến mức nào. Điều này cho phép một máy tính lượng tử phối hợp trên tất cả những trạng thái đồng thời đó theo cách mà điện toán song song thông thường không làm được.
Và các máy tính lượng tử này được thiết lập để các câu trả lời sai triệt tiêu lẫn nhau (như những làn sóng chồng lên nhau làm phẳng) và các câu trả lời đúng khuếch đại lẫn nhau (như những làn sóng xếp chồng cao hơn). Đến cuối phép tính, câu trả lời đúng có xác suất cao nhất để được đo.
Vậy nên không phải là tốc độ kiểu “brute-force”. Đó là một cách tiếp cận cơ bản khác để tính toán — cho phép tự nhiên khám phá một không gian khả năng có kích thước theo hàm mũ, rồi sụp đổ về câu trả lời đúng nhờ vật lý thay vì nhờ logic.
Một mối đe dọa lớn đối với mật mã
Chính vật lý làm người ta choáng váng này là lý do khiến nó trở nên đáng sợ đối với mã hóa.
Toán học bảo vệ bitcoin dựa trên giả định rằng việc kiểm tra mọi khóa có thể mất nhiều thời gian hơn tuổi của vũ trụ.
Nhưng một máy tính lượng tử không kiểm tra từng khóa. Nó khám phá tất cả chúng đồng thời và sử dụng giao thoa để đưa ra khóa đúng.
Đó là điểm mà nó gắn với Bitcoin. Đi theo một hướng, từ khóa riêng đến khóa công khai, chỉ mất vài mili giây. Đi theo hướng ngược lại, từ khóa công khai quay lại khóa riêng, sẽ mất một máy tính cổ điển một triệu năm, hoặc thậm chí lâu hơn tuổi của vũ trụ. Sự bất đối xứng đó là thứ duy nhất chứng minh rằng một người đang nắm giữ các đồng coin của họ.
(CoinDesk)
Một máy tính lượng tử chạy một thuật toán được gọi là Shor’s có thể đi ngược lại cái “bẫy cửa sau” đó. Bài báo của Google tuần này cho thấy nó có thể làm điều đó với ít tài nguyên hơn nhiều so với bất kỳ ước tính nào trước đây, và trong một khung thời gian chạy đua với thời điểm xác nhận khối của bitcoin.
Đó là lý do mối đe dọa rằng máy tính lượng tử sẽ phá được mã hóa của blockchain là điều thật sự khiến mọi người hết sức lo lắng.
Cách cuộc tấn công đó hoạt động từng bước, bài báo của Google cụ thể đã thay đổi điều gì, và điều đó có ý nghĩa gì đối với 6.9 triệu bitcoin đã bị lộ, là chủ đề của phần tiếp theo trong chuỗi bài này.
