De ce fizica uluitoare a calculului cuantic este îngrijorătoare pentru bitcoin și criptomonede

Săptămâna aceasta, Google a publicat o lucrare care descrie cum un computer cuantic ar putea, teoretic, deriva o cheie privată bitcoin în 9 minute, cu ramificații care se extind la Ethereum, alte tokene, servicii bancare private și potențial la tot ceea ce există în lume.

Calculul cuantic este ușor de confundat cu o versiune mai rapidă a unui computer obișnuit. Dar nu este un cip mai puternic sau o fermă de servere mai mare. Este un tip de mașină fundamental diferit, diferit la nivelul atomului însuși.

Un computer cuantic începe cu o buclă foarte rece, foarte mică de metal unde particulele încep să se comporte în moduri în care nu se comportă în condiții normale pe Pământ, moduri care modifică ceea ce considerăm a fi regulile de bază ale fizicii.

A înțelege ce înseamnă asta, fizic, este diferența dintre a citi despre amenințarea cuantică și a o înțelege cu adevărat.

Cum funcționează de fapt computerele și computerele cuantice

Computerele obișnuite stochează informații sub formă de biți — fiecare este fie 0, fie 1. Un bit este un mic întrerupător. Fizic, este un tranzistor pe un "cip" — o poartă microscopică care fie lasă electricitatea să treacă (1), fie nu (0).

Fiecare fotografie, fiecare tranzacție bitcoin, fiecare cuvânt pe care l-ați tastat vreodată este stocat ca modele ale acestor întrerupătoare care sunt pornite sau oprite. Nu există nimic misterios despre un bit; este un obiect fizic într-una dintre cele două stări definite.

Fiecare calcul înseamnă doar amestecarea acestor 0 și 1 foarte rapid. Un cip modern poate face miliarde dintre acestea pe secundă, dar totuși le face câte unul, în secvență.

Computerele cuantice folosesc ceva cunoscut sub numele de qubiți în loc de biți. Un qubit poate fi 0, 1 sau — și aceasta este partea ciudată — ambele în același timp!

Acest lucru este posibil deoarece un qubit este un tip complet diferit de obiect fizic. Versiunea cea mai comună, și cea pe care o folosește Google, este o buclă minusculă de metal supraconductor răcit la aproximativ 0,015 grade deasupra zeroului absolut, mai rece decât spațiul cosmic, dar aici pe Pământ.

La acea temperatură, electricitatea curge prin buclă fără nicio rezistență, iar curentul se spune că există într-o stare cuantică.

În bucla supraconductoare, curentul poate curge în sensul acelor de ceasornic (să-i spunem 0) sau în sens invers acelor de ceasornic (să-i spunem 1). Dar la scări cuantice, curentul nu trebuie să aleagă o direcție și de fapt curge în ambele direcții simultan.

Nu confundați acest lucru cu comutarea între cele două foarte rapid. Curentul este măsurabil, experimental și verificabil în ambele stări simultan.

Fizică care îți răsucește mintea

Ați urmărit până acum? Minunat, pentru că aici devine cu adevărat ciudat, deoarece fizica din spatele modului în care funcționează nu este imediat intuitivă și nici nu ar trebui să fie.

Tot ceea cu ce interacționează cineva în viața de zi cu zi respectă fizica clasică, care presupune că lucrurile sunt într-un loc la un moment dat. Dar particulele nu se comportă astfel la scară subatomică.

Un electron nu are o poziție definită până când te uiți la el. Un foton nu are o polarizare definită până când îl măsori. Un curent într-o buclă supraconductoare nu curge într-o direcție definită până când îl forțezi să aleagă.

Motivul pentru care nu experimentăm acest lucru în viața de zi cu zi este decoerența. Când un sistem cuantic interacționează cu mediul său, molecule de aer, căldură, vibrații și lumină, suprapunerea se prăbușește aproape instantaneu.

O minge de fotbal nu poate fi în două locuri în același timp pentru că interacționează cu trilioane de molecule de aer, praf, sunet, căldură, gravitație etc., în fiecare nanosecundă. Dar izolează un curent minuscul într-un vid aproape de zero absolut, protejează-l de orice perturbare posibilă, și comportamentul cuantic supraviețuiește suficient de mult pentru a calcula cu el.

De aceea computerele cuantice sunt atât de greu de construit. Oamenii proiectează medii fizice în care legile fizicii care în mod normal împiedică acest lucru să se întâmple sunt ținute la distanță doar suficient de mult pentru a rula un calcul.

Mașinile Google funcționează în frigidere cu diluție de dimensiunea unor încăperi uriașe, mai reci decât orice din universul natural, înconjurate de straturi de protecție împotriva zgomotului electromagnetic, vibrațiilor și radiației termice.

Și qubiții sunt fragili chiar și atunci. Își pierd starea cuantică constant, motiv pentru care "corecția erorilor" domină fiecare conversație despre scalare.

Deci calculul cuantic nu este o versiune mai rapidă a calculului clasic. Este exploatarea unui set diferit de legi fizice care se aplică doar la scări extrem de mici, temperaturi extrem de scăzute și intervale de timp extrem de scurte.

Acum adună asta.

Doi biți obișnuiți pot fi într-una din patru stări (00, 01, 10, 11), dar doar una la un moment dat (deoarece curentul curge doar într-o singură direcție). Doi qubiți pot reprezenta toate cele patru stări simultan, deoarece curentul curge în toate direcțiile în același timp.

Trei qubiți reprezintă opt stări. Zece qubiți reprezintă 1 024. Cincizeci de qubiți reprezintă peste un catralion. Numărul se dublează cu fiecare qubit adăugat, motiv pentru care scalarea este atât de exponențială.

Al doilea truc este ceva numit încurcătură. Când doi qubiți sunt încurcați, măsurarea unuia îi spune instantaneu observatorului ceva despre celălalt, indiferent cât de departe sunt. Acest lucru permite unui computer cuantic să coordoneze toate acele stări simultane într-un mod în care calculul paralel obișnuit nu poate.

Și aceste computere cuantice sunt configurate astfel încât răspunsurile greșite să se anuleze reciproc (ca valurile suprapuse care se aplatizează) și răspunsurile corecte să se întărească reciproc (ca valurile care se înalță mai sus). Până la sfârșitul calculului, răspunsul corect are cea mai mare probabilitate de a fi măsurat.

Deci nu este vorba de viteză brută. Este o abordare fundamental diferită a calculului — una care permite naturii să exploreze un spațiu exponențial mare de posibilități și apoi se prăbușește la răspunsul corect prin fizică mai degrabă decât prin logică.

O amenințare monumentală pentru criptografie

Această fizică care îți răsucește mintea este motivul pentru care este îngrozitoare pentru criptare.

Matematica care protejează bitcoin se bazează pe presupunerea că verificarea fiecărei chei posibile ar dura mai mult decât vârsta universului.

Dar un computer cuantic nu verifică fiecare cheie. Le explorează pe toate simultan și folosește interferența pentru a scoate la suprafață pe cea potrivită.

Aici se leagă de Bitcoin. Mergând într-o direcție, de la cheia privată la cheia publică, durează milisecunde. Mergând în cealaltă direcție, de la cheia publică înapoi la cheia privată, ar dura unui computer clasic un milion de ani, sau chiar mai mult decât vârsta universului. Această asimetrie este singurul lucru care dovedește că o persoană își deține monedele.

Un computer cuantic care rulează un algoritm numit Shor poate trece prin acea trapă în sens invers. Lucrarea Google din această săptămână a arătat că ar putea face acest lucru cu mult mai puține resurse decât oricine a estimat anterior, și într-un interval de timp care concurează cu propriile confirmări de bloc ale bitcoin.

Acesta este motivul pentru care amenințarea computerelor cuantice de a sparge criptarea blockchain îi îngrijorează cu adevărat pe toți.

Cum funcționează acel atac pas cu pas, ce a schimbat în mod specific lucrarea Google și ce înseamnă pentru cele 6,9 milioane de bitcoin deja expuse, este subiectul următoarei piese din această serie.