Как квантовые компьютеры изменят технологию блокчейна?

Многое было сказано о вероятном появлении квантовых вычислений, которые обещают возможность выполнять вычисления со скоростью, на порядки превышающей скорость современных компьютеров. Но что означают квантовые вычисления для будущего блокчейна? Угрожают ли квантовые компьютеры безопасности блокчейна? Подробнее в нашем материале.

Чтобы ответить на этот вопрос, важно сначала изучить историю квантовых вычислений как концепции – ее истоки, цели и успехи, которых она добилась за последние годы. С этой отправной точки можно проанализировать, каким образом технология может повлиять на проекты блокчейнов и что это означает для децентрализованного пространства в целом.

Что такое квантовые вычисления?

Основное различие между квантовыми компьютерами и стандартными или «классическими» ПК заключается в способе обработки информации. Классические компьютеры используют фрагменты данных, называемые «битами», для хранения информации в одном из двух состояний: 0 и 1. Каждый из этих нулей и единиц представляет электрические сигналы высокого или низкого напряжения, которые компьютер интерпретирует в то, что мы видим на наших экранах.

Квантовые компьютеры, хранят информацию в квантовых битах или кубитах – состоянии с плавающей запятой, которые действуют как облако вероятности, а не как двоичное утверждение да / нет. Высокий уровень сложности Qubits дает квантовым компьютерам возможность обрабатывать данные экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры; теоретически они могут решать вычислительные задачи, которые считались невозможными для классических компьютеров.

Квантовые вычисления: краткая история

Исследования, описывающие принципы квантовых вычислений, появились еще в конце 1970-х – начале 1980-х годов. В 1979 году Пол Бениофф, физик из Аргоннской национальной лаборатории, опубликовал статью, в которой продемонстрировал теоретические основы квантовых вычислений и предположил, что квантовый компьютер может быть построен. Затем в 1980 году математик Юрий Манин дополнительно исследовал эту концепцию в своей книге «Вычислимые и невычислимые». Но концепция квантовых вычислений впервые начала набирать обороты в 1981 году, когда физик-теоретик по имени Ричард Фейнман прочитал лекцию под названием «Моделирование физики с помощью компьютеров» в Массачусетском технологическом институте (MIT). Во время этого выступления Фейнман обозначил проблему: классические компьютеры не способны эффективно воссоздавать природные явления. «Природа не является классической, – сказал он. – Если вы хотите создать симуляцию природы, вам лучше сделать ее квантово-механической». Фейнман утверждал, что создав компьютер, работающий на принципах квантовой механики, вычисления могут стать экспоненциально быстрее и эффективнее.

Затем в 1985 году Дэвид Дойч опубликовал свою основополагающую статью «Квантовая теория, принцип Чёрча-Тьюринга и универсальный квантовый компьютер», в которой он предвидел создание квантовой машины Тьюринга. Дойч, работа которого в этой области привела к тому, что его повсеместно считают крестным отцом квантовых вычислений, сказал, что «квантовые вычисления будут первой технологией, которая позволит выполнять полезные задачи в сотрудничестве между параллельными вселенными».

Тринадцать лет спустя, в 1994 году, математик Питер Шор разработал свой знаменитый алгоритм. Алгоритм Шора был настолько мощным при факторизации целых чисел, что само его существование предполагало, что криптография с открытым ключом может быть легко взломана с помощью достаточно мощного устройства. По сути, алгоритм доказал, что квантовые компьютеры могут решать сложные задачи намного быстрее, чем даже самые современные традиционные суперкомпьютеры. Например, разложение на множители 300-значных чисел. Традиционному компьютеру потребовалось бы тысячи лет, но с алгоритмом Шора квантовый компьютер теоретически мог бы выполнить эту задачу за считанные часы. 

Как и лекция Фейнмана 1981 года, разработка алгоритма Шора вызвала волну интереса к квантовым вычислениям. Два года спустя, в 1996 году, ученый-компьютерщик Лов Гровер создал алгоритм поиска в базе данных для квантовых компьютеров. Теоретически алгоритм способен решать задачи, связанные со случайными вычислениями или поиском методом грубой силы, в четыре раза быстрее, чем классический компьютер.

В 1998 году был построен первый в мире рабочий квантовый компьютер. Устройство оперировало всего двумя кубитами. Почти десять лет спустя канадский стартап D-Wave построил 28-кубитный квантовый компьютер. С этого момента развитие квантовых вычислений стало взрывным. В 2017 году компьютер, построенный IBM и несколькими университетскими командами, имел 50 кубитов; в 2018 году Google представила Bristlecone, чип квантовых вычислений, содержащий 72 кубита.

С запуском Bristlecone, Google заявила, что достигла «квантового превосходства» – что чип может явно решать проблемы, которые никакое классическое вычислительное устройство не может решить за разумный промежуток времени. Это утверждение, кстати, позже было оспорено

Пользу от квантовых вычислений мы получим через 5-10 лет

Но хотя в мире квантовых вычислений был достигнут значительный прогресс, эксперты считают, что может пройти от пяти до десяти лет, прежде чем технология достигнет того уровня, когда она сможет принести значительную пользу. Но этот день все ближе и ближе. В то время как индустрия квантовых вычислений оценивалась примерно в 507,1 миллиона долларов в 2019 году, по прогнозам, к 2030 году она вырастет до 65 миллиардов долларов.

Квантовый интернет и будущее безопасности данных

Квантовые вычисления могут произвести революцию во всем интернете, породив так называемый «квантовый интернет», который позволит устройствам обмениваться информацией, используя принципы квантовой механики. Квантовый интернет может также выступать в качестве платформы для онлайн-общения и вычислительных процессов, которые невозможны с помощью классических вычислительных методов.

Квантовый интернет обещает гораздо более высокий уровень цифровой безопасности. Ярким примером этого потенциала является квантовое распределение ключей (QKD), которое может значительно улучшить шифрованную связь. Подобно традиционным зашифрованным сообщениям и передаче данных, алгоритмы QKD будут совместно использовать криптографические ключи между двумя или более объектами, что позволит им конфиденциально обмениваться информацией. Однако QKD также может сделать обмен ключами шифрования полностью секретным; он может даже предупреждать пользователей о присутствии посторонних.

Кроме того, квантовые компьютеры могут позволить генерировать действительно случайные числа. Генерация случайных чисел необходима для безопасного шифрования, но традиционные компьютеры фактически полагаются на генераторы «псевдослучайных» чисел. Поскольку числа, генерируемые этими программами, не являются на самом деле случайными, они по-прежнему подвержены риску взлома. Квантовые вычисления также повлияют и потенциально улучшат финансовые услуги, инструменты и инфраструктуры, на которые опирается общество. А поскольку квантовые компьютеры особенно хорошо подходят для сортировки массивов случайных данных, они обещают значительно улучшить автоматизированные модели оценки и прогнозирования рисков.

Квантовые компьютеры теоретически обладают беспрецедентными способностями определять закономерности, категоризировать и делать прогнозы, которые сегодня невозможны. Например, банк может использовать квантовые вычисления для улучшения алгоритмов и моделей, которые вычисляют статистические вероятности и тем самым прогнозируют вероятность необычной деятельности, которая может повлиять на финансовые рынки. Возможности квантовых компьютеров по сортировке данных также могут иметь серьезные последствия для оптимизации торговых данных, что может увеличить прибыль от инвестиций и, возможно, открыть дверь для новых инвестиционных возможностей.

Что будет означать появление квантовых вычислений для блокчейнов?

Но несмотря на все возможные преимущества, которые квантовые вычисления могут принести миру, есть некоторые элементы технологии, которые вызывают беспокойство. В частности, было высказано предположение, что квантовые вычисления угрожают жизнеспособности технологии блокчейн из-за использования последней асимметричной криптографии, также известной как криптография с открытым ключом.

При асимметричной криптографии закрытые и открытые ключи генерируются парами. Закрытый ключ хранится в секрете, а открытый ключ становится общедоступным. Асимметричная криптография основана на математическом принципе, называемом «односторонняя функция», согласно которому открытый ключ может быть легко получен из закрытого ключа, но не наоборот. В блокчейне открытые ключи используются в качестве адресов кошельков; закрытые ключи используются для доступа к средствам в кошельке криптовалюты. При использовании классических вычислительных методов адрес публичного кошелька может быть получен из закрытого ключа кошелька, но закрытые ключи не могут быть получены из общедоступных адресов. Однако, когда в игру вступают квантовые компьютеры, это совсем другая история.

Используя алгоритм Шора, квантовый компьютер может теоретически определять закрытые ключи, связанные с любым адресом публичного кошелька в цепочке блоков. Это, очевидно, представляет собой серьезную угрозу для существующих в настоящее время блокчейнов. Но вряд ли такой сценарий станет реальностью. 

Чтобы понять, почему криптография с блокчейном может процветать – даже в мире квантовых вычислений – полезно, в первую очередь, поближе взглянуть на то, почему криптографические алгоритмы могут быть уязвимы для квантовых компьютеров.

Классические компьютеры используют «биты» данных. Аналогично, безопасность любого криптографического алгоритма измеряется в «битах безопасности». Этот измерительный инструмент предоставляет метод сравнения надежности различных алгоритмов шифрования: например, злоумышленнику потребуется 2128 классических вычислительных шагов, чтобы взломать алгоритм шифрования, что обеспечивает 128 бит безопасности. Однако, когда дело доходит до квантовых вычислений, количество шагов, необходимых для взлома криптографических алгоритмов, резко сокращается. 

Например, алгоритм Шора можно использовать для снижения безопасности 3072-битного ключа RSA до 26 бит – уровня, который можно взломать с помощью вычислительной мощности сотового телефона.

Если большие и мощные квантовые компьютеры начнут широко распространяться, мощность многих криптографических алгоритмов с открытым ключом может оказаться практически устаревшей.

Появление квантового блокчейна

Но хотя некоторые виды шифрования уязвимы для квантовых, так называемые «квантово-устойчивые» алгоритмы уже разрабатываются известными исследовательскими организациями. И даже некоторые из наиболее распространенных видов шифрования могут быть «квантово-устойчивыми» при правильном использовании. Например, шифрование Advanced Encryption Standard (AES) с безопасностью более 256 бит считается квантово-устойчивым.

Рост квантовых вычислений будет означать, что приложения для обмена зашифрованными сообщениями, виртуальные частные сети и сети криптовалюты, которые полагаются на неквантовые криптографические алгоритмы, в конечном итоге должны будут перейти на квантово-защищенные алгоритмы. Но это изменение является эволюционным, а не экзистенциальным: непрерывный рост и развитие технологий в целом основывается на том, что отдельные концепции развиваются и меняются, чтобы идти в ногу друг с другом. А реальность такова, что квантовые компьютеры и технология блокчейнов могут сосуществовать, работать вместе и усиливать друг друга.

Сочетание квантовых вычислений и технологии блокчейн стало известно как «квантовый блокчейн». Как и классические блокчейны, квантовые блокчейны представляют собой децентрализованные зашифрованные реестры. Однако, в отличие от классических блокчейнов, эти сети будут основаны на квантовых вычислениях, квантовой теории информации и квантовой механике.

Хотя ни один квантовый блокчейн еще не работает, ряд исследователей изучают потенциал этой технологии. В 2018 году исследователи из Веллингтонского университета Виктории в Новой Зеландии предложили модель квантовой цепочки блоков, которая будет хранить данные цепочки блоков в квантовую эпоху: фрагменты данных транзакций будут храниться в запутанных фотонах, которые существуют только в течение короткого времени. Однако после прекращения существования фотоны по-прежнему будут доступны для чтения – навсегда заключены в своего рода режим «только для чтения», который невозможно изменить.

«Запутанность во времени, в отличие от запутанности в пространстве, обеспечивает решающее квантовое преимущество», – говорится в отчете. – Все подкомпоненты этой системы уже экспериментально реализованы. Возможно, более шокирующим является то, что нашу процедуру кодирования можно интерпретировать как не классически влияющую на прошлое; следовательно, этот децентрализованный квантовый блокчейн можно рассматривать как квантовую сетевую машину времени». 

Теоретически эту технологию можно использовать для создания чрезвычайно безопасного блокчейна.

В 2019 году независимая группа исследователей также предложила создать новый тип криптовалюты, получивший название «квантовая монета», утверждая, что квантовые блокчейны могут создавать более безопасные и эффективные модели транзакций. Исследователи предложили комбинацию квантовой запутанности и распределенного доказательства доли владения (DPoS) для создания нового механизма консенсуса, который будет более быстрым и эффективным, чем алгоритмы консенсуса до квантового блокчейна.

Но хотя развитие квантовых технологий происходит быстрее, чем когда-либо, пройдут годы, прежде чем квантовые компьютеры станут реальностью. Тем временем пользователи и разработчики криптовалюты могут предпринять необходимые шаги для квантовой защиты сетей блокчейнов, на которые они полагаются. А когда придет квантовое превосходство, проекты блокчейнов должны быть готовы к инновациям и процветанию.

Вывод. Квантовые вычисления не представляют угрозы для технологии блокчейн. Напротив, у него есть потенциал для экспоненциального ускорения положительного воздействия децентрализованных проектов и значительного усиления конфиденциальности в интернете за счет применения стандартов шифрования и неизменности, которые сегодня невозможны. Появление квантовых блокчейнов станет воплощением огромных технологических перспектив и принесет огромную пользу людям во всем мире.

Подписывайтесь на наш Telegram-канал и читайте новости первыми!