Bitcoin Magazine

Квантовий випуск: що взагалі таке квантові обчислення?

Що таке квантові обчислення? Чим квантовий комп'ютер відрізняється від звичайного комп'ютера? Яке відношення це має до Bitcoin?

Новачки у світі біткоїна неминуче стикаються з цими питаннями і змушені розбиратися в проблемах, які вони порушують щодо вразливості Bitcoin перед тим, що є справжньою екзистенційною загрозою його існуванню в разі створення працездатного квантового комп'ютера. 

Можливість володіти біткоїном спирається на фундаментальне припущення про те, що без прямого витоку копії приватного ключа ніхто, крім власника цього ключа, не може підписати транзакцію монетами, захищеними цим ключем. Квантові обчислення ставлять це припущення під сумнів. 

Квантові комп'ютери — це не просто «комп'ютери, тільки швидші». Вони працюють принципово інакше, ніж класичний комп'ютер, і тому набагато ефективніші за класичні комп'ютери у дуже специфічних видах обчислень. Звісно, я не збираюся детально пояснювати, як працюють квантові комп'ютери, на чотирьох сторінках, але дам вам базову інтуїцію того, чим вони принципово відрізняються від класичного комп'ютера. 

Отже, погляньмо, як обидва типи комп'ютерів працюють із такими речами, як великі криптографічні ключі. 

Класичні комп'ютери

Усе, що зберігається в класичному комп'ютері (або просто комп'ютері, як називатимемо його далі), зберігається у вигляді послідовності одиниць і нулів. Кожен біт (1 або 0) — це строго 1 або 0; жодної двозначності немає. Коли дані зберігаються, це одиниці й нулі. Коли дані змінюються чи модифікуються, це відбувається біт за бітом, крок за кроком, для кожної одиниці чи нуля. 

Саме так працює комп'ютер. Він лінійно, крок за кроком, змінює дискретні однозначні фрагменти даних, які зберігає. Він не може забігти наперед або скоротити шлях (ідеться про кількість кроків, а не про ефективніші математичні способи розв'язання задачі) — йому доводиться проходити кроки будь-якого обчислення один за одним. 

Коли ви генеруєте приватний ключ за допомогою комп'ютера, він отримує випадкове значення (ви кидаєте кості, вводите дані, використовуєте випадковість апаратного забезпечення пристрою тощо) і зберігає його в пам'яті у вигляді одиниць і нулів. Далі йому потрібно помножити це значення на породжувальну точку еліптичної кривої, щоб отримати публічний ключ. Це виконується за допомогою алгоритму, який, якщо звести його до найбазовішого рівня, є буквально інструкціями про те, які біти взяти, як їх змінити, якими схемами «протштовхнути» їх на фізичному рівні, щоб цього досягти, і врешті повернути нове значення, змінене біт за бітом, назад у пам'ять. 

Є й інші кроки для отримання дійсної адреси, але для цієї статті розбирати їх не потрібно (але вони влаштовані так само, як описаний вище крок, — просто покрокові інструкції про те, як змінювати одиниці й нулі в пам'яті). 

Тож що якби хтось захотів використати комп'ютер, щоб вгадати чужий приватний ключ? 

Існує 2256 можливих приватних ключів. Це 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 різних можливих ключів. 

Комп'ютеру довелося б перебрати кожен із цих можливих приватних ключів, один за одним (або скільки завгодно паралельно), крок за кроком дотримуючись тих самих інструкцій генерації ключів, що описані вище. Що більше ключів ви намагаєтеся перевіряти паралельно, то більше обчислювальної потужності вам потрібно, і обійти ці витрати ніяк не можна. 

Що менше обчислювальної потужності ви хочете використати, то більше часу це займе; що менше часу ви хочете витратити, то більше обчислювальної потужності вам потрібно. 

Це нездійсненне для комп'ютера завдання. З одного боку, обчислювальні витрати такі, що їх не вистачить сплатити всім комп'ютерам Землі, а з іншого — витрати часу настільки великі, що кожна зірка у Всесвіті згасне раніше, ніж ви переберете їх усі. 

Щоб справді досягти мети, потрібен ще один варіант, окрім лінійної чи паралельної перевірки один за одним. І ось тут на сцену виходять квантові обчислення.

Квантові комп'ютери

Квантові комп'ютери не працюють з дискретними станами. Усе є строго 1 або 0. Найбазовіша одиниця інформації в квантовому комп'ютері — кубіт (квантова версія біта). На відміну від біта, кубіт перебуває в стані суперпозиції, де він одночасно є і 1, і 0. Він осідає в одному з двох дискретних станів лише тоді, коли його спостерігають. 

Це один із ключових будівельних блоків, які дозволяють квантовому комп'ютеру обчислювати інакше. Другий — заплутаність. Кубіти зберігаються не ізольовано: фізичні атоми, які їх представляють і колапсують у дискретний стан під час спостереження, виявляються заплутаними одне з одним. Це означає, що коли заплутані атоми спостерігають і вони колапсують в єдиний стан, заплутані атоми колапсують в один і той самий стан, незалежно від того, наскільки далеко одне від одного вони перебувають. 

А ось тут усе стає дивним, і мені доведеться дещо спростити пояснення; проте ви маєте отримати інтуїтивне розуміння того, чому квантові комп'ютери принципово відрізняються від класичних. Алгоритм у класичному комп'ютері — це набір інструкцій, який бере конкретний набір бітів і крок за кроком змінює їх згідно з інструкціями алгоритму, поки не завершить роботу і не видасть готовий набір нових бітів. Тобто алгоритм крок за кроком перетворює один дискретний стан на інший. 

Кубіти не зберігають дискретні стани, поки їх не спостерігають і вони не колапсують в один із них. Вони зберігають ймовірності. Коли у вас є набір заплутаних кубітів будь-якого заданого розміру (як у цьому гіпотетичному випадку — 2256), кожен можливий стан, у який він може колапсувати, має певну ймовірність колапсу саме в цей стан. 

Квантові алгоритми — це не покрокові інструкції для роботи з дискретними станами, а набір інструкцій про те, як впливати на ці заплутані кубіти, змінюючи ймовірності різних результатів. Конструктивна інтерференція використовується для підвищення ймовірності правильного результату, а деструктивна інтерференція — для зниження ймовірності неправильних результатів (зауважте: це НЕ той шум чи та інтерференція, через які фізичним квантовим комп'ютерам важко працювати точно, — це інше поняття). 

Тож якщо класичному комп'ютеру довелося б перевіряти кожен окремий приватний ключ один за одним, щоб знайти той, що відповідає конкретному публічному ключу, квантовий комп'ютер може просто виконати алгоритм кілька разів, використовуючи правильний алгоритм, і отримати правильну відповідь. Він робить це не шляхом «перевірки всіх варіантів одразу». Він просто змінює ймовірності того, у що колапсує суперпозиція. 

Саме тому квантовий комп'ютер може зруйнувати припущення, що лежать в основі криптографії на еліптичних кривих, а класичний комп'ютер — ні (і саме тому квантові комп'ютери корисні лише для певних видів обчислень з величезним можливим простором варіантів-кандидатів для перевірки). 

Без паніки

Ця фундаментальна відмінність між класичними та квантовими обчисленнями означає, що так, якщо працездатний квантовий комп'ютер справді буде створено і він функціонуватиме правильно, то базове припущення, яке забезпечує безпеку особистих біткоїнів усіх власників, виявиться порушеним. Усі ці кошти виявляться незахищеними. 

Так, це серйозний ризик, якщо такий пристрій справді буде виготовлено і він запрацює, але ми не зовсім не готові. Ми розуміємо проблему, розуміємо ступінь вразливості, і вже складається чимало можливих рішень для різних аспектів цієї проблеми. 

Видихніть і розслабтеся. У решті цього випуску ми розберемо для вас усю проблему цілком. 

Цей матеріал опубліковано в останньому друкованому випуску Bitcoin Magazine — Квантовому випуску. Ми ділимося ним тут, щоб заздалегідь показати ідеї, які будуть розкриті протягом усього випуску.

Ця стаття «Квантовий випуск: що взагалі таке квантові обчислення?» вперше з'явилася на Bitcoin Magazine, автор — Shinobi.

Source: BitcoinMagazine