Что представляет собой квантовый чип Willow от Google?

Чип Willow от Google знаменует собой новую эру в квантовой производительности, позволяя выполнять сложные вычисления, имеющие важное значение для различных отраслей, включая криптографию.

Квантовые вычисления достигли критической отметки: компания Google представила 105-кубитный чип Willow, созданный на - значительный скачок в квантовой производительности и масштабируемости, обещающий достижения в различных отраслях — от медицины до криптографии.

105 кубитов: Willow почти удваивает количество кубитов Sycamore, открывая возможность справляться с экспоненциально более сложными вычислениями. Каждый кубит в Willow разработан для работы с улучшенным временем когерентности, минимизируя квантовый шум и повышая вычислительную стабильность.

Прорывы в исправлении ошибок: одним из самых заметных достижений Willow является его прогресс в квантовой коррекции ошибок, важный шаг к масштабируемым, отказоустойчивым квантовым системам. Исследователи Google сообщают, что Willow достигает более длительного срока службы логических кубитов по сравнению с физическими кубитами, демонстрируя свой потенциал для устойчивой производительности.

Скорость и мощность: В  бенчмарках формата случайной выборки цепей (тест, в котором квантовый компьютер доказывает свою мощность, решая сложные задачи), Willow за считанные минуты выполнил задачи, на которые классическим суперкомпьютерам потребовались бы миллиарды лет. Такие прорывы подчеркивают способность чипа превосходить классические системы в определенных проблемных областях.

Фундаментальное различие между квантовыми и классическими вычислениями заключается в способе обработки информации.

• Классические вычисления: работают с использованием двоичных битов (0 и 1) для последовательного выполнения вычислений. Даже самые быстрые классические суперкомпьютеры решают проблемы посредством линейной прогрессии.
• Квантовые вычисления: Используют кубиты, которые могут существовать в состоянии суперпозиции (одновременно 0 и 1). Когда кубиты запутываются, они мгновенно влияют друг на друга, позволяя системе обрабатывать несколько вычислений параллельно.

Такой параллелизм позволяет квантовым компьютерам успешно решать специализированные задачи, такие как задачи оптимизации, молекулярное моделирование и криптографическое тестирование, где классические системы не справляются из-за своих линейных ограничений.

• Открытие лекарств и материаловедение: способность Willow моделировать квантовые состояния позволяет исследователям изучать сложные молекулярные взаимодействия. Например, моделирование сворачивания белка — задача, требующая большого объема вычислений — может быть выполнено более эффективно с помощью квантовых систем.
• Моделирование климата: решая нелинейные уравнения на квантовых скоростях, Willow может моделировать сложные экологические системы, предлагая идеи для стратегий смягчения последствий изменения климата.
• Задачи оптимизации: Возможности Willow распространяются на решение логистических задач, таких как оптимизация цепочки поставок и финансовое моделирование, что значительно сокращает время решения по сравнению с классическими методами.

Презентация Willow не только демонстрирует прогресс квантовых вычислений, но и подчеркивает их потенциал в решении задач, которые ранее считались непреодолимыми.

Квантовые компьютеры, использующие алгоритмы Шора и Гровера, потенциально способны подорвать эффективность традиционных криптографических алгоритмов, решая сложные задачи экспоненциально быстрее.

Внедрение мощных квантовых компьютеров, таких как Willow, вызвало опасения относительно их последствий для криптографической безопасности, включая влияние чипа Willow на криптовалюты. Биткоин и многие другие блокчейн-системы полагаются на криптографические алгоритмы, разработанные для защиты от классических атак. Однако квантовые вычисления вызвали опасения относительно их потенциального влияния на криптографическую безопасность.

Важность открытых и закрытых ключей в безопасности Bitcoin

Безопасность Bitcoin основана на эллиптической криптографии (ECC), в частности на алгоритме цифровой подписи Elliptic Curve (ECDSA), что вызывает опасения в контексте безопасности квантового чипа против Bitcoin. Связь между открытыми и закрытыми ключами имеет решающее значение:

• Открытый ключ: предоставляется в открытом доступе как адрес для получения Bitcoin
• Закрытый ключ: хранится в секрете и используется для подписания транзакций, подтверждения права собственности и авторизации перемещения средств.

Предпосылка безопасности ECDSA заключается в задаче дискретного логарифма эллиптической кривой (ECDLP), которая вычислительно невыполнима для классических компьютеров. Без доступа к закрытому ключу пользователя подделка действительной подписи или доступ к средствам становится практически невозможным.

Однако квантовые компьютеры могут потенциально подорвать эту структуру безопасности. Два ключевых квантовых алгоритма подчеркивают риски:

• Алгоритм Шора: может взламывать криптографические системы, такие как ECC, быстро решая такие проблемы, как факторизация целых чисел, что позволяет выводить закрытые ключи из открытых ключей.
• Алгоритм Гровера: обеспечивает квадратичное ускорение для brute-forcing хэш-функций. В случае Bitcoin это снизит эффективную силу SHA-256 (используемую в консенсусе proof-of-work) с 256 бит до 128 бит. Хотя это остается безопасным по сегодняшним стандартам, это подчеркивает потенциальные уязвимости в других системах с более слабыми хэш-функциями.

Для взлома биткоина требуется квантовая мощность

Взлом криптографической защиты Bitcoin находится далеко за пределами возможностей современных квантовых компьютеров, включая Willow. Согласно исследованию, опубликованному в Ledger Journal:

• Необходимые логические кубиты: для эффективной работы алгоритма Шора потребуется не менее 1500–3000 отказоустойчивых логических кубитов.
• Требуемые физические кубиты: Учитывая текущие показатели ошибок, это означает десятки миллионов физических кубитов, включая исправление ошибок.

По словам Алана Уоттса, современные системы все еще находятся в фазе «шумных квантовых систем промежуточного масштаба» (NISQ) — где ошибки и нестабильность ограничивают их практическое применение. Этот термин, введен американским физиком-теоретиком Джоном Прескиллом. 

Безопасность Bitcoin основана на передовых криптографических алгоритмах, разработанных для противодействия классическим атакам, что обеспечивает надежную защиту транзакций и сети блокчейн.

Криптографическая конструкция Bitcoin делает его одной из самых безопасных децентрализованных систем. Его защита основана на надежных алгоритмах, которые невозможно взломать с помощью классических вычислений. Давайте рассмотрим основные меры безопасности и выясним, представляет ли квантовый чип Willow от Google какую-либо ощутимую угрозу для них.

ECDSA и SHA-256: основа безопасности Bitcoin

Как обсуждалось выше, система транзакций Bitcoin зависит от ECDSA для генерации и проверки цифровых подписей. Кроме того, консенсусный механизм PoW Bitcoin использует SHA-256, криптографическую хэш-функцию, для защиты блокчейна:

Майнеры решают вычислительную головоломку с использованием SHA-256, чтобы добавить новые блоки в блокчейн.

Функция хэширования разработана как необратимая, то есть с вычислительной точки зрения невозможно выполнить обратную разработку входных данных из ее хэшированных выходных данных.

Несмотря на то, что квантовый чип Willow от Google с его 105 кубитами стал важной вехой в квантовых вычислениях, в настоящее время он не представляет непосредственной угрозы для криптографических систем Bitcoin. Для взлома ECDSA или SHA-256 Bitcoin потребуется не менее 1500–3000 отказоустойчивых логических кубитов, что намного превышает возможности Willow. Как упоминалось ранее, современные квантовые системы пока недостаточно масштабируемы, чтобы бросить вызов надежной защите Bitcoin.

Многоуровневая криптографическая структура Bitcoin, объединяющая ECDSA и SHA-256, обеспечивает устойчивость к современным квантовым технологиям. Вы можете рассмотреть Willow в фазе NISQ, где ошибки и нестабильность ограничивают их практическое применение. Этот технологический разрыв пока обеспечивает безопасность криптографических защит Bitcoin.

Криптосообщество и реакция криптографов на тор насколько Willow опасен для биткоина

Осознавая потенциальную угрозу, которую представляют квантовые вычисления, индустрия криптовалют активно начала исследования и разработку квантово-устойчивых криптографических систем.

Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) возглавляет усилия по стандартизации постквантовых криптографических (PQC) алгоритмов. Эти алгоритмы разработаны для сопротивления  классическим и квантовым атакам.

Окончательные кандидаты включают:

• Криптография на основе решеток: такие алгоритмы, как CRYSTALS-Dilithium и Kyber, основаны на решетчатых структурах, которые остаются защищенными от квантовых атак.
• Подписи на основе хэшей: они используют криптографические хеши, которые более устойчивы к квантовым алгоритмам Шора или Гровера.

После завершения разработки эти стандарты можно будет интегрировать в Bitcoin и другие блокчейн-системы, чтобы обеспечить их безопасность в будущем.

Предложения Виталика Бутерина по безопасности Ethereum

Виталик Бутерин, соучредитель Ethereum, высказался о подготовке к квантовым рискам. Ключевые предложения включают:

• Сигнатуры Лампорта: квантово-устойчивые схемы одноразовых подписей, которые легко реализовать, но требуют большего объема памяти.
• Гибкость перехода: модульная структура Ethereum позволяет ему быстрее принимать новые криптографические стандарты, чем Bitcoin. Например, Ethereum может интегрировать постквантовые алгоритмы посредством обновлений своих механизмов консенсуса.

Проактивный подход Бутерина служит примером для других блокчейн-проектов.

Известные криптографы и исследователи вносят свой вклад в разработку квантово-устойчивых технологий:

• Адам Бэк: будучи пионером в области блокчейн-криптографии, Бэк подчеркнул важность интеграции PQC (постквантовой криптографии) в протокол Биткоина без ущерба для его децентрализованной природы.
• Билл Бьюкенен: Его работа в области решетчатой криптографии и защищенных систем предлагает надежные решения для противодействия квантовым атакам.

Многие блокчейн-проекты также изучают гибридные модели, которые объединяют существующую криптографию с квантово-устойчивыми алгоритмами, чтобы обеспечить плавный переход, когда квантовые компьютеры станут практически востребованными.

Квантовые исследования могут повлиять на безопасность блокчейна, создавая риск взлома кошельков и нестабильности рынка, одновременно способствуя прогрессу в области криптографической защиты.

Рост квантовых вычислений несет как риски, так и возможности квантовых вычислений для Bitcoin и более широкой экосистемы криптовалют. Понимание этих последствий имеет решающее значение для заинтересованных сторон.

Потенциальные риски

Взломанные кошельки:

Полностью масштабируемый, отказоустойчивый квантовый компьютер мог бы выводить закрытые ключи из открытых ключей, обеспечивая несанкционированный доступ к кошелькам.

Если это произойдет, средства могут быть украдены, что подорвет доверие к безопасности Биткоина.

Нестабильность сети:

Страх перед квантовыми уязвимостями может привести к панике на рынке, что повлияет на цену и принятие биткоина.

Исторически сложилось так, что даже предполагаемые технические риски (например, форки или ошибки протокола) могут вызвать значительную волатильность цены биткоина.

Отсроченный консенсус:

PoW Биткоина: может привести к замедлению проверки транзакций или разделению сети.

Положительные изменения

Несмотря на то, что риски значительны, активная позиция криптоиндустрии и достижения в области криптографической защиты обеспечивают позитивный прогноз:

• Сроки благоприятствуют криптографии: эксперты сходятся во мнении, что квантовые компьютеры, имеющие важное значение для криптографии, появятся не раньше, чем через 10–20 лет, что дает криптосообществу достаточно времени для перехода на квантово-устойчивые стандарты.
• Достижения в криптографии: постквантовые алгоритмы не статичны, а быстро развиваются. Исследователи уверены, что темпы криптографических инноваций будут опережать квантовые достижения.
• Усиление мер безопасности: интеграция PQC в блокчейн-системы может сделать их более защищенными как от квантовых, так и от классических угроз, устраняя квантовые угрозы безопасности Bitcoin и укрепляя доверие к децентрализованным финансам.

Стабильность рынка и возможности

• Планирование перехода: проекты, в которых четко изложены стратегии квантового перехода, могут завоевать большее доверие инвесторов.
• Катализатор инноваций: Квантовые прорывы могут стимулировать инновации в области блокчейна, такие как квантово-безопасные кошельки и децентрализованные системы, оптимизированные для постквантовых сред, учитывающие влияние квантовых чипов на блокчейн.

Наконец, поскольку до появления криптографически значимых квантовых компьютеров еще много лет, у криптоиндустрии есть время адаптироваться, обеспечивая более сильное и безопасное децентрализованное будущее.