Могут ли квантовые вычисления угрожать блокчейнам?

Квантовые вычисления, которые используют субатомные частицы для создания новых способов обработки и хранения информации, обещают стать будущим вычислений. Работая на порядки быстрее, чем лучшие процессоры, доступные сегодня, эта технология поможет решать сложные проблемы за долю времени.

С этой точки зрения можно провести параллель между квантовыми вычислениями, искусственным интеллектом и блокчейном, чтобы понять различия и возможные причины уязвимостей, вызванных первыми, а также возможную синергию.

Но чтобы понять влияние появления квантовых вычислений на другие технологии, нам необходимо понять некоторые базовые концепции.

В начале 1980-х годов Ричард Фейнман, Пол Бениофф и Юрий Манин заложили основы совершенно новой парадигмы, выдвинув идею о том, что квантовые вычисления обладают потенциалом решения проблем, которые не под силу «классическим вычислениям».

Вычислительная мощность этой технологии исходит из «запутанности». Это происходит, когда две частицы запутываются — запутанность заставляет две частицы оставаться в одном и том же состоянии. Если одна из них меняется, другая тоже может измениться, в зависимости от состояния другой.

Расстояние между ними не имеет значения, и каждая из них будет отражать состояние другой частицы. Именно это заставляет ученых-компьютерщиков с энтузиазмом относиться к квантовым вычислениям. В настоящее время компании усердно работают над увеличением количества кубитов.

Квибиты — это основные единицы информации, используемые квантовыми компьютерами. В отличие от обычных битов, которые хранят данные как 1 или 0, квибиты используют квантовое явление, известное как суперпозиция. Это означает, что они по сути существуют как 1 и 0 одновременно.

Преимущество этого явления в вычислениях заключается в том, что оно экспоненциально увеличивает объем информации, который может быть обработан. Пара квибитов , которые могут существовать как 1 или 0, может включать четыре возможных состояния. Три квибита могут включать восемь. Но триста квибитов могут включать больше состояний, чем число атомов во Вселенной.

Использование квибита началось в 1998 году, когда Оксфорд, MIT, IBM и другие смогли работать всего с двумя квибитами. Сегодня предел достиг 72 квибитов.

После того, как Ричард Фейнман, Пол Бениофф и Юрий Манин представили идею квантовых вычислений в 1994 году , Питер Шор , в настоящее время работающий в Массачусетском технологическом институте, нашел первый пример квантового алгоритма, который мог бы значительно ускорить решение практической задачи. Этот алгоритм был способен эффективно решать проблемы в криптографии, которые трудно решить классическим компьютерам .

По сей день алгоритм, созданный Шором, продолжает угрожать основам большинства криптографий, развернутых по всему миру. Проблема была в том, что в 1994 году квантового компьютера еще не существовало.

Первый мини квантовый компьютер был создан лишь в 1997 году.

Однако по-настоящему эта область стала развиваться только в 2007 году, когда канадский стартап D-Wave представил свой 28-кубитный квантовый компьютер.

Подобно траектории развития неквантовой коммуникации, от открытия которой до ее повсеместного распространения прошло более 100 лет, квантовые компьютеры находятся в процессе развития.

Чтобы дать вам представление, в 2019 году на выставке CES была представлена IBM Q System One -20-кубитный квантовый компьютер, созданный для обеспечения стабильности и вызвавший настоящий фурор благодаря своему прекрасному дизайну.

В 2021 году в своем блоге Google заявила, что намерена создать к 2029 году «полезный квантовый компьютер с возможностью исправления ошибок» после того, как в 2019 году заявила о квантовом превосходстве.

Несмотря на все инвестиции в квантовые технологии, будущее квантовых вычислений все еще далеко от реальности.

Сегодня многие игроки соревнуются за создание первого мощного квантового компьютера. Это включает в себя такие коммерческие организации, как IonQ, Rigetti, IBM, Google, Alibaba, Microsoft и Intel.

Аналогично, ведущие экономики мира инвестируют миллиарды долларов в разработку и исследование квантовых вычислений.

Согласно отчету McKinsey, опубликованному в 2023 году, глобальные   заинтересованность ведущие к исследованиям и инновациям в квантовой науке и технологиях, неуклонно растут, при этом текущие мировые инвестиции превышают 38,6 млрд долларов США. А прогноз для мирового рынка квантовых технологий составляет 106 млрд долларов США к 2040 году.

Квантовые компьютеры мощные, но их трудно построить. Так что тот, кто доберется до них первым, получит мощное и долгосрочное преимущество.

Неудивительно, что важные организации объединяют свои знания в стремлении освоить эту технологию. Чтобы дать вам представление, статья «Quantum-enhanced greedy combinatorial optimization resolver» является результатом совместных усилий программы, запущенной DARPA в 2019 году и известной как Optimization with Noisy Intermediate Scale Quantum (ONISQ).

ONISQ был создан для содействия тесному научному партнерству между NASA, Ассоциацией космических исследований университетов (USRA) и Riggetti Computing . Его главная цель — разработка новаторских квантовых оптимизационных методологий для укрепления будущих военных возможностей США.

Учитывая колоссальные проблемы создания квантовых компьютеров, мы находимся примерно там же, где были в 1970 году с классическими компьютерами.

У нас есть некоторые, но они все еще ненадежны по сравнению с сегодняшним стандартом. Что имеется в виду? Современные квантовые компьютеры работают, и некоторые из них даже доступны для программирования любому человеку. IBM, Rigetti, Google и IonQ предоставляют публичный доступ к инструментам с открытым исходным кодом для настоящего квантового вычислительного оборудования.

Однако они все еще очень бедны и находятся на среднем уровне из-за небольшого числа квибитов. Простыми словами, квантовые компьютеры все еще разрабатываются, но пока не стали реальностью.

Преимущества квантовых компьютеров приносят исключительные преимущества, но их так же трудно поддерживать. Состояние суперпозиции обеспечивает производительность, но оно не стабильно. Чтобы сделать их стабильными и управлять ими, физики применяют множество методов — включая микроволновые или лазерные лучи — необходимо контролировать температуру и гарантировать отсутствие какого-либо взаимодействия с рабочей средой.

При таком низком сопротивлении окружающей среде квантовые компьютеры трудно обслуживать. Небольшое различие в одном из элементов может поставить под угрозу всю работу. Процесс, при котором происходит рассеивание, известен как «декогеренция».

Т.е. чем стабильнее квибиты, тем больше вычислительной мощности генерируется. Однако по мере увеличения количества кубитов среда становится более нестабильной и ее сложнее контролировать.

На данный момент наиболее важные приложения квантовых вычислений касаются поведения материи, химии и открытия материалов. Но потребуется время, чтобы понять, как мы можем расширить их полезность.

На текущем этапе развития наши возможности слишком ограничены, чтобы представить себе области применения в ближайшем будущем.

Технология блокчейн известна своей безопасностью. Согласно отчету Deloitte, более 84% компаний ожидают, что блокчейн обеспечит большую безопасность, чем обычные ИТ-системы. Его уникальные особенности делают его отличным кандидатом для защиты любой бизнес-системы.

Обратите внимание, что его безопасность обеспечивается тремя основными факторами:

• использование одноранговых сетей (исключающих единую точку отказа);
• теорией игр (также известная как механизм консенсуса);
• криптография.

Блокчейн сеть работает на основе идеи узлов, соединенных по принципу «равный-равному», без центрального сервера (децентрализация), которые передают друг другу зашифрованную информацию (криптография) и способны «принимать решения» и достигать «соглашения» посредством механизма консенсуса (теория игр).

Именно алгоритмы консенсуса, децентрализация и криптография гарантируют устойчивость всей сети блокчейн к подделкам.

Однако это не означает, что блокчейн нельзя взломать.

Если блокчейн не использует хороший алгоритм консенсуса, то есть если дизайн теории игр недостаточно продуман, он может подвергнуться атаке 51%.

Одним из самых популярных способов взлома сети блокчейн является получение злоумышленником контроля над 51% узлов — это известно как атака 51%.

Поступая таким образом, киберпреступник может подтверждать поддельные транзакции по всей сети, осуществлять двойную трату и красть большие объемы информации или криптовалют.

Другие типы кибератак на сети блокчейнов включают в себя:

Атака Сивиллы: способ заполнения сети узлами, контролируемыми одним субъектом.

Атака на маршрутизацию: атака на маршрутизацию узлов через разных интернет-провайдеров.

DDoS- атака: перегрузка всей сети и, в конечном итоге, людей, которые могут использовать уязвимости сети или необнаруженные эксплойты в своих интересах.

Один из блокчейнов , который всегда был способен защитить себя, несмотря на сотни ежедневных попыток атаковать его алгоритм консенсуса — будь то 51%, атака Сивиллы или DDoS- атака — это протокол Bitcoin. Но может ли он потерпеть неудачу, когда в игру вступают квантовые вычисления?

Двумя возможными причинами уязвимости блокчейна являются однонаправленные функции и отсутствие квантово-устойчивых «криптографических алгоритмов» или «алгоритмов консенсуса»:

Односторонние математические функции

Сегодняшние компьютеры способны генерировать цифровые подписи в целях безопасности, но получить ключ или отменить его полностью невозможно. Другими словами, текущее поколение блокчейна использует односторонние математические функции.

Для обычного компьютера их легко вычислить в одном направлении, но невозможно сделать это в обратном направлении. Это делает использование этих однонаправленных математических функций очень полезным.

Поскольку ничто не сравнится с примером для понимания чего-либо, давайте подумаем о простых числах. Вы можете эффективно умножать простые числа, но если вы хотите найти простые множители двух произведений простых чисел, это будет сложно.

Подобная двойственная природа математики упрощает генерацию цифровых подписей для блокчейна, а затем ее можно использовать для аутентификации. Однако с точки зрения хакера это означает переворачивание уравнения, что практически невозможно сделать с помощью современных компьютеров.

Кроме того, такие односторонние функции эффективны для генерации хэш-функций, которые можно использовать для проверки новых блоков, добавленных в реестр. Но если содержимое хэш-функции изменено киберпреступником, значение хэша не будет соответствовать измененному содержимому, и информация о блоке будет отброшена сетью.

Таким образом, единственным способом кибератаки в этом случае будет нахождение хеш-значения блока, что потребует обращения функции.

Теперь, если предположить, что современные компьютеры способны решать триллионы ключей в секунду, им потребуется выполнить 785 миллионов вычислений , чтобы найти значение хэш-функции блока, что займет 14 миллиардов лет.

Однако с появлением квантовых вычислений этот сценарий изменится, поскольку квантовые компьютеры смогут выполнять многонаправленные математические функции за миллиарды секунд.

Поскольку современные криптографические алгоритмы или алгоритмы консенсуса учитывают только текущую вычислительную мощность, в большинстве блокчейн- решений явно не хватает квантово-устойчивых криптографических алгоритмов.

Однако, как и в каждом правиле, есть исключения, и NEO — это блокчейн, который разрабатывает квантово-устойчивые алгоритмы с 2018 года. Их подход заключается в создании решений для будущего и выборе алгоритмов, которые смогут поддерживать колоссальную мощь квантовых вычислений, когда они появятся.

Взаимосвязь между блокчейном и квантовыми компьютерами

Общество приближается к эпохе конвергенции, когда все технологии общего назначения [GPT] будут усиливать друг друга, что приведет нас в эпоху невиданной ранее экспоненциальной эволюции.

Квантовая технология может стать переломным моментом в решении проблемы блокчейн трилеммы:

• Безопасность
• Децентрализация
• Масштабируемость и консенсус

Повышение безопасности за счет использования квантовых сетей

Квантовые сети — очень безопасные каналы, где вы обмениваетесь кубитами друг с другом. В отличие от классических компьютерных сетей, квантовая сеть мгновенно обнаруживает любую попытку взлома системы, гарантируя безопасность коммуникации.

Улучшенная масштабируемость за счет чересстрочной развертки

Используя преимущество запутанности, которое лежит в основе вычислительной мощности квантовых вычислений, можно повысить масштабируемость и децентрализацию блокчейна.

С квантовыми вычислениями мы можем иметь больше узлов. Квантовая технология очень хорошо адаптируется к степени двойки для количества узлов. И поэтому мы можем улучшить децентрализацию, увеличив количество узлов, что стало возможным благодаря квантовым вычислениям.

Наконец, возросшая масштабируемость, которую обеспечивает квантовая технология, может позволить блокчейнам обрабатывать большие объемы данных по своей сути, способствуя достижению консенсуса в более крупных масштабах.

Поскольку ИИ в значительной степени опирается на данные, огромная вычислительная мощность квантовых компьютеров может дать ИИ необходимый импульс, чтобы стать еще умнее и быстрее. Другими словами, квантовые вычисления могут быть как супертренер для ИИ, помогая ему учиться и расти с беспрецедентной скоростью.

Сочетание ИИ, квантовых вычислений и блокчейна

Сила блокчейна заключается в его безопасности и прозрачности. Каждая транзакция регистрируется и может быть отслежена, что делает невероятно сложным для любого человека обойти систему. Но эта безопасность имеет свою цену: скорость. Квантовые вычисления, с их способностью обрабатывать данные со скоростью света, могут помочь решить эту проблему, сделав блокчейн быстрее, не жертвуя безопасностью.

ИИ может использовать для работы защищенную среду блокчейна, а квантовые вычисления ускорят оба процесса. Это может привести к будущему, в котором ИИ сможет принимать безопасные, быстрые и эффективные решения — от управления финансами до диагностики заболеваний.

Заключение

Концепция кибербезопасности время от времени меняется. Оглядываясь назад на историю, мы никогда бы не подумали, что код Enigma может быть расшифрован. В этом контексте, а также учитывая, что технологии блокчейн всего 15 лет, весьма вероятно, что решения, подходящие для квантовых вычислений, будут разработаны и реализованы на существующих блокчейнах. Аналогичным образом квантовые вычисления находятся на начальной стадии развития и потребуют значительных усилий со стороны правительств и компаний, чтобы стать реальностью.