Важные новости

Квантовый компьютер убьёт биткоин

Квантовый компьютер убьёт биткоин. Как я создаю безопасный блокчейн

Что вообще такое квантовый блокчейн

КYКY: СМИ пишут о появлении квантового блокчейна – в чём его суть? Если я правильно понимаю, вы создали некую сеть – защищенную базу данных на основе квантовых компьютеров?

Алексей Федоров: Блокчейн — это технология для создания распределенных баз данных, которые криптографически защищены от несанкционированной модификации. В своей работе блокчейн использует несколько криптографических технологий, в частности, электронно-цифровую подпись для проверки авторства транзакций, а также криптографических хэш-функций для формирования блоков. Для электронно-цифровой подписи в большинстве блокчейнов для защиты используются криптографические алгоритмы с открытым ключом. Криптография с открытым ключом базируется на односторонних математических функциях — операциях, которые просто выполняются в одну сторону, но сложно в обратную. Например, факторизация — разложение числа на простые множители: перемножить два простых числа просто, но узнать, из каких простых множителей состоит данное число, тяжело даже с использованием мощных классических компьютеров.

В середине девяностых Питер Шор показал, что если использовать для задачи факторизации не классические компьютеры, а квантовые, то задача решается намного быстрее. Квантовые компьютеры — это устройства, которые для проведения вычислений используют феномены квантовой механики — например, принцип суперпозиции, который позволяет квантовым объектам быть одновременно во всех возможных состояниях. На языке компьютеров это означает, что квантовые биты — кубиты — могут находиться одновременно в состоянии 0 и 1, тогда как классические биты могут быть либо 0, либо 1. Квантовые компьютеры сейчас активно развиваются, их строят такие гиганты, как Google, IBM, Microsoft и Intel, но их мощности пока недостаточно, чтобы взламывать использующиеся криптографические алгоритмы – тем не менее, гипотетически они на это способны. Из этого следует, что большинство инструментов, которые мы используем повсеместно, не только в блокчейне, а еще и при защите данных в интернете, в интернет-банке, мессенджерах, будут уязвимы, когда появится квантовый компьютер.

Алексей Федоров

Идея нашего квантово-защищенного блокчейна состоит в том, чтобы сделать другую квантовую технологию — квантовые коммуникации — центральным элементом защиты технологии блокчейна. Квантовые коммуникации (или, более точно, квантовое распределение ключей) — это метод защиты данных, гарантирующий защищенность на уровне законов физики, а не на каких-либо предположениях о сложности математических задач, как в случае криптографии с открытым ключом. Тем самым квантовый блокчейн становится неуязвимым к атакам с квантовым компьютером.

Кому это пришло в голову и чем угрожает обычному блокчейну

КYКY: Как вы пришли к этому открытию?

А.Ф.: В Российском квантовом центре (РКЦ) есть проект по развитию квантовых коммуникаций под руководством Юрия Курочкина. Юрий и я раньше работали в группе «Квантовая оптика» под руководством Александра Львовского, одного из наиболее известных специалистов в этой области. Несмотря на то, что работа в группе была направлена на изучение фундаментальных аспектов квантовых технологий, мы с Юрием постоянно думали о квантовых коммуникациях. При этом Юрий — экспериментатор, а я занимаюсь теорией, так что мы обсуждали очень много разных идей.

Когда в РКЦ под руководством Юрия стартовал самостоятельный проект по квантовым коммуникациям, у нас активно начала расти команда. К ней присоединились очень талантливые теоретики, математики и программисты. После того, как мы показали работоспособность технологии квантовых коммуникаций в городских условиях, а также построили квантовую сеть, начали думать, для чего она могла бы быть использована. В голову пришел блокчейн, поскольку тогда к этой технологии рос интерес со стороны сообщества. В итоге пришла идея — нужно соединить квантовые коммуникации и блокчейн. Я рассказал об этом Юрию, Евгению Киктенко и Антону Трушечкину, которые играют ведущую роль в теоретической части проекта, а также Александру Львовскому и Руслану Юнусову (директору РКЦ). Мы рассматривали много разных вариантов и предложений. В итоге Александр и Евгений предложили ключевые идеи о протоколе работы квантового блокчейна — использовать сети квантовых коммуникаций для аутентификации. Команда экспериментаторов под руководством Юрия провели эксперимент, а также наши программисты — Николай Пожар и Максим Ануфриев — реализовали программную платформу. Так что проект во всех смыслах совместный, каждый из авторов статьи внес ценный вклад.

КYКY: Некоторые исследователи считают, что через 10 лет квантовые компьютеры будут представлять угрозу для блокчейна, так ли это?

А.Ф: Да, работа этой группы очень интересная и детальная. С учетом предположений, которые выдвинуты в статье, оценка правильная. С другой стороны, предсказывать технологический процесс достаточно тяжело: это может быть 10 лет, а может быть и раньше. Самый главный тезис, который есть как в нашей работе, так и в этой, – квантовый компьютер действительно несет угрозу ключевым элементам технологии блокчейна.

И как будут защищаться данные?

КYКY: Что такое квантовая криптография?

А.Ф.: Квантовая криптография, квантовые коммуникации или квантовое распределение ключей — разные термины, описывающие одну технологию. Её суть в том, что квантовые частицы используются для формирования криптографических ключей. При этом используется квантовая природа передаваемых сигналов: злоумышленник, обладая неограниченными вычислительными ресурсами и всеми технологиями, которые не противоречат законам физики, все равно не сможет получить доступ к информации так, чтобы остаться незамеченным. Это обеспечивается законами квантовой механики. Далее полученные квантовым образом ключи можно использовать для классического шифрования. Поэтому термин «квантовое распределение ключей» мне нравится больше, чем «квантовая криптография». Квантовые свойства нужны именно для задачи распределения ключей.

Фото: Sara, Peter & Tobias

КYКY: В чём главное отличие квантового блокчейна от блокчейна?

А.Ф.: После публикации нашей статьи возникли еще 4-5 предложений о том, как квантовые технологии могут быть использованы для блокчейнов. Поэтому я бы определил квантовый блокчейн как совокупность методов использования квантовых технологий для вычислений. В случае нашего квантового блокчейна — это использование квантовых коммуникаций для защиты данных.

КYКY: Можно ли говорить о том, что эра квантовых вычислительных машин действительно наступила?

А.Ф.: Она наступает постепенно. С появлением в гонке за построение квантовых компьютеров крупных IT-гигантов дело пошло быстрее. Недавно Google анонсировали чип из 72 кубит — это существенный шаг вперед.

КYКY: Сможет ли квантовый компьютер когда-нибудь стать персональным?

А.Ф.: История учит нас тому, что прогнозы относительно технологий редко бывают точными. Возможно, да, возможно, нет. Понятие «персональный» через некоторое время может измениться, и под ним мы будем понимать не фактическое владение, а использование, например, квантовых облачных сервисов.

Почему нам всем пора учить физику

КYКY: Самые важные открытия в квантовой физике за последние 10 лет — это? Ведь для многих людей, квантовая физика и алхимия являются синонимами, что-то на стыке науки и волшебства.

А.Ф.: Этих открытий так много! Есть и фундаментальные научные достижения, например, экспериментальное обнаружения бозона Хиггса, так и интересные прикладные исследования – например, работы с графеном и другими материалами с нестандартными свойствами. Это всего лишь два поразительных примера, но их, безусловно, гораздо больше.

КYКY: Как изменятся учебники по физике через 10-15 лет?

А.Ф.: В них будет входить больше информации. Думаю, значительно расширится раздел, посвященный квантовой физике. У нас несколько лет назад под руководством Александра Львовского проходил «квантовый кружок» для школьников в Москве. Оказалось, что при определенной подаче материала, ребята начинают достаточно быстро воспринимать язык квантовой физики.

Фото: Sara, Peter & Tobias

КYКY: Не хотите сделать прогноз? Представьте, мы с вами пишем письмо, которое вскроют через сто лет. Какие достижения квантовой физики будут использоваться в повседневной жизни обычными людьми?

А.Ф.: Мне кажется, что за сто лет мы пройдем гораздо дальше, чем использование достижений квантовой физики в повседневной жизни. Я учился на факультете информационных технологий, но работаю в области физики и вижу, как эти две сферы меняют друг друга последние 10-15 лет. Я думаю, что мы недалеко от новой революции, в которой к квантовым технологиями и информационным технологиям, подключатся биотехнологии. Трудно прогнозировать в какой форме, но, может быть, путем создания квантовых нейроинтерфейсов или квантовых нейроморфных компьютеров. Так что через сто лет, вполне возможно, мое написанное письмо сочтут рудиментарным способом передачи информации и улыбнутся так, как улыбаемся мы, когда читаем предположения ключевых фигур компьютерной революции 60-х годов, веривших, что миру вряд ли нужно будет больше, чем пять компьютеров.

 123 Алёна Шпак, рубрика «Деньги»,

Квантовые вычисления: конец блокчейна?

  • Новости 1С-Битрикс
  • Полезные статьи

Доброй субботы, Хабр!

Сегодняшний перевод самым непосредственным образом вписывается в наши поиски, связанные с литературой по квантовым вычислениям, и может считаться базовым материалом о том, какие опасности или, наоборот, возможности, привносит квантовый компьютер в технологии блокчейна. Падут ли они под натиском новых квантовых возможностей или, наоборот, станут еще более неуязвимыми?

Тем временем, следите за рекламой — книга Владимира Силвы на подходе — и не забудьте поучаствовать в голосовании.

Давайте разберемся, что такое блокчейн.

Дисклеймер: я старался сделать эту статью максимально простой, и для этого пришлось немного абстрагироваться от технических нюансов. Кроме того, извините, что все рисунки подписаны вручную. Я решил, что картинки, которые изображу я сам, проиллюстрируют нужные концепции лучше, чем то, что я найду в Интернете.

Предельно просто блокчейн можно описать так: это реестр, в который записываются транзакции определенного типа. Блокчейн использует математические функции, например, разложение целого числа на множители; такие функции легко решаются в одном направлении, но сложно в обратном – именно так и обеспечивается безопасность.

Транзакции блокчейна добавляются в базу данных, именуемую блоком, а блок шифруется математическим инструментом, который называется «хеширующая функция». Затем хеш включается в следующий блок со следующим набором транзакций, который на следующем шаге вновь зашифровывается хеширующей функцией и дает следующий хеш. Новый хеш добавляется к следующему блоку. Таким образом образуется цепочка блоков, и все они словно последовательно вложены друг в друга — отсюда и название «блокчейн».

Вот пример хеша, сгенерированного алгоритмом MD5 на Python. MD5 – это широко используемая хеш-функция, дающая 128-разрядный хеш.

Восстановить исходное значение (“первый блок Kellogg” в данном случае) для классического компьютера исключительно сложно. Это можно сделать только брутфорсом – систематически отыскивая решение путем перебора всех возможных вариантов и проверяя, удовлетворяет ли каждый очередной кандидат постановке задачи. Аналогично, решение хеша для биткойнового блока – начинающегося со множества нулей – требует чрезвычайно большого объема вычислений. Вот почему даже при использовании совокупной вычислительной мощность всех компьютеров в сети биткойна требуется примерно 7 минут, чтобы решить блок.

Однако, все может измениться с приходом квантового компьютера, который потенциально представляет угрозу для блокчейна и криптовалют. Каким образом? Сейчас расскажу.

Что такое квантовый компьютер?

Одной из основ большинства прорывов в вычислительной мощности – это процесс постоянного уменьшения размера транзисторов. Суть любого форм-фактора вычислений – в транзисторе, так как транзисторы образуют логические вентили, обрабатывающие информацию в компьютере.

В течение последних десятилетий производители чипов, в частности, Intel, постоянно увеличивают количество транзисторов в CPU, уменьшая их размер. В современном CPU каждый транзистор даже мельче вируса ВИЧ. В сущности, мы близки к пределу, где транзисторы сравнятся по размеру с атомами. Вот почему распространено мнение, что в будущем действие закона Мура прекратится, и вычислительные мощности перестанут расти такими темпами, к которым мы привыкли.

Одним из решений данной проблемы представляются квантовые вычисления.

В классическом компьютере, где обработка информации происходит на основе транзисторов, бит может быть равен только 0 и 1. Однако, квантовые вычисления основаны на последовательности кубитов, каждый из которых может представлять единицу, ноль или любую квантовую суперпозицию состояний двух кубитов. В целом, квантовый компьютер с n кубитов может находиться в любой суперпозиции с вплоть до 2^n состояний одновременно.

Классический компьютер в любой момент времени может находиться только в одном из 2^n состояний. Таким образом, квантовый компьютер экспоненциально быстрее классического.

Как же возможна такая суперпозиция? Дело в том, что квантовый мир по определению параллелен. В знаменитом эксперименте с двумя щелями, поставленном Томасом Янгом, частица могла одновременно проникать через две щели. Самый лучший квантовый компьютер мог бы осуществлять огромный объем вычислений, причем, гораздо быстрее, чем классический компьютер.

Принципы квантовых вычислений

Большинство из нас знакомились с классической механикой в школе, а феномен квантовых вычислений, напротив, интуитивно понятным не назовешь. Я попробую продемонстрировать один из простейших примеров, который знаю из университетского курса.

Догадываетесь, которая из граней куба – передняя? Пожалуй, вы не уверены. Однако, как только вы для себя это решите, путаница кончится. Неопределенность возможных состояний описывает один из наиболее глубоких принципов квантовой механики – принцип суперпозиции.

Теперь рассмотрим эту картинку. Которая грань передняя?

Это интересно. Здесь, опять же, вы можете быть не уверены с ответом, но, когда вы определитесь с первым кубом, вы мгновенно определитесь и со вторым. Каким-то образом два этих куба, разделенные в пространстве оказываются связаны.

Квантовая запутанность – это феномен, при котором квантовые состояния двух или боле объектов должны описываться относительно друг друга, пусть даже отдельные объекты и удалены друг от друга в пространстве.

Квантовая запутанность – это суперкритическая деталь работы с квантовым компьютером. Квантовый компьютер задает запутанность, а затем измеряет вывод, схлопывая суперпозицию в 0 или 1 (классическое состояние). Многие алгоритмы в квантовом мире дают верный ответ с определенной вероятностью. Однако, многократно инициализируя, прогоняя и измеряя результаты квантового компьютера, можно повысить вероятность получить верный ответ.

Угроза блокчейну

Как упоминалось выше, технология блокчейна основана использовании криптографических приемов, которые, как считается, почти неуязвимы для взлома, разве что брутфорсом с использованием огромных вычислительных мощностей. Концептуально такая криптография подобна технологии, при помощи которой обеспечивается коммуникация в Интернете.

Однако, квантовый компьютер, в силу имеющихся у него огромных вычислительных возможностей, теоретически должен взламывать криптографию с открытым ключом – и, следовательно, представляет угрозу блокчейну.

Правда, существуют проблемы, связанные с масштабированием квантовых вычислений.

На каждый полезный кубит нужно еще от 10 до 100 кубитов для исправления ошибок. Исследования в этой области продолжаются, одно из предлагаемых решений – топологический квантовый компьютер.

Каково будущее блокчейна в мире квантовых вычислений?

Однако, невзирая на его оптимизм, это сложная проблема.

Одним из потенциальных решений является квантовый блокчейн, основанный на квантовой криптографии. Его предложили Дель Раджан и Мэтт Виссер из университета Виктории в Веллингтоне, Новая Зеландия. Идея проста: если компьютеры стали считать слишком быстро, значит, нужно усложнить задачу. Создать блокчейн на основе квантовых частиц, запутанных во времени. Таким образом, всего одной квантовой частицы хватит, чтобы закодировать историю всех ее предшественниц, и расшифровать эту цепь, не разрушив ее, будет невозможно.
Однако, здесь придется столкнуться с новыми проблемами в области масштабирования блокчейна, который уже ограничен.

Будущее блокчейна кажется неопределенным, но, безусловно, очень интересным.

https://kyky.org/money/kvantovyy-kompyuter-ubiet-bitkoin-kak-ya-sozdayu-bezopasnyy-blokcheyn
https://temofeev.ru/info/articles/kvantovye-vychisleniya-konets-blokcheyna/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *