Komputer kwantowy i górnictwo - jakie są zagrożenia dla kryptowalut?

W społeczności cyfrowej trwa debata na temat zagrożenia, jakie dla algorytmów blockchain stanowi przetwarzanie komputerów kwantowych. Jakie zmiany sprzęt nowej ery może przynieść gospodarce kryptowalutowej i czy możliwe jest połączenie obliczeń kwantowych i górnictwa. To omówimy w dzisiejszym artykule. Sprawdzimy też, jak bardzo realistyczne są obawy, że mining PoW przestanie istnieć.

Czym jest komputer kwantowy?

Konwencjonalne maszyny wykorzystują binarny system obliczeń. Każda informacja do przetworzenia liczona jest w bitach i ma postać kombinacji liczb 1 i 0. Problemem w tym przypadku jest sama ilość danych. Jednak w momencie, gdy trzeba zamodelować wiele wariantów przy użyciu dużej liczby zmiennych, pojawia się kryzys wydajności. Istnieją 4 unikalne kombinacje dla 2 cyfr. W przypadku poszukiwania wszystkich możliwych wariantów 10-cyfrowych dla 10 zmiennych - poszukiwania mogą trwać dziesiątki miesięcy.

Skrót szyfrowania SHA-256 ma długość 32 znaków. Aby rozszyfrować, należy przeszukać po kolei każdą kombinację 32 zmiennych. Nawet wykorzystując połączoną moc superkomputera, proces ten trwałby miliard lat. Dlatego właśnie SHA-256 jest uważany za bezpieczny. Na dzień dzisiejszy?

W przeciwieństwie do systemu binarnego opracowano metodę kwantową. W teorii potężny komputer oparty na cząstkach fizycznych może w ciągu minut symulować warianty złożonych sekwencji, na co superkomputery potrzebowałyby setek lat.

Zasada działania

W metodzie kwantowej nie stosuje się nadmiernego przetwarzania. Zamiast bitów, jednostką rachunku są qubity. Są to zmienne, które z prawdopodobieństwem 50% mają wartość 1 lub 0.

Innymi słowy, dla kubitu wszystkie opcje są prawdziwe i istnieją jednocześnie w tej samej rzeczywistości obliczeniowej. Jeśli odpowiedzi już są, to trzeba zrozumieć czas poświęcony na obliczenia. Aby wydobyć wynik, trzeba zastosować algorytm interpretacji. Przekładanie informacji z przestrzeni komputerów kwantowych (QC) na zrozumiałą formę wymaga czasu.

Urządzenia do takich obliczeń są w trakcie opracowywania. Równolegle badacze fizyki kwantowej starają się zwiększyć szybkość działania algorytmów interpretacyjnych. Prace w tym obszarze odbywają się na wszystkich głównych uczelniach badawczych, takich jak MIT (USA) oraz w wiodących komercyjnych laboratoriach fintech w IBM i Google.

Kiedy powstała koncepcja komputera kwantowego?

W 1980 roku amerykański badacz Paul Benioff i radziecki fizyk Jurij Manin opublikowali pierwsze prace związane z teorią obliczeń kwantowych. Rok później (w 1981 roku) zaprezentowano pierwszy prototyp QC, który zawierał 2 qubity. Jego twórcą był laureat Nagrody Nobla z fizyki Richard Feynman. Prototyp oparty był na maszynie Turinga. Dalszy rozwój teoretyczny odbywał się przez 10 lat. Praktyczny postęp rozpoczął się jednak wraz z powstaniem algorytmu faktoryzacji liczb opisanego przez Shore'a w 1994 roku.

Od tego momentu pracownicy Massachusetts Institute of Technology (MIT), a później dział badawczy IBM, ścigali się w tworzeniu działającego modelu komputera kwantowego. Jako podstawę do obliczeń wybrano różne obiekty fizyczne: fotony, elektrony, zimne atomy i inne.

Lista wdrożonych instalacji została przedstawiona w tabeli.

Zastosowanie

Prowadzony jest aktywny rozwój takich obliczeń w celu rozwiązywania problemów globalnych. Główne obszary zastosowań obliczeń kwantowych to:

• Przemysł kosmiczny
• Transport
• Technologie komputerowe
• Opieka zdrowotna
• Inwestycje

Uwzględniając trajektorię, naprężenie materiału, czynniki naturalne i ludzkie, algorytmy kwantowe mogą optymalizować zużycie paliwa w logistyce lotniczej i transportowej. Technologia ta może zwiększyć efektywność finansową systemu lub dokonać obliczeń inżynierskich przy projektowaniu międzyplanetarnych statków kosmicznych.

Nowa generacja szyfrowania jest możliwa dla komputerów kwantowych i rozszerzenia liczby wyjść, gdy działa sztuczna inteligencja.

Handel, zarządzanie ryzykiem inwestycyjnym i przewidywanie zachowań rynku również znajdują się w spektrum możliwości modelowania. Chemia, farmakologia i genetyka są uważane za główną przyczynę wielomiliardowego rozkwitu tej technologii.

Możliwości takiego komputera są porównywalne z ewolucją. Syntetyzowanie nowych substancji, tworzenie silniejszych związków, rozszyfrowywanie genomu. Opracowanie leku zajmuje średnio od 5 do 10 lat. Komputer kwantowy potrafi skrócić tworzenie do 2 lat oraz symulować wzory chemiczne i zsyntetyzować lekarstwo na nieuleczalne choroby.

Jakie są zagrożenia związane z komputerami kwantowymi dla górnictwa?

W tak dużej mocy obliczeniowej tkwi zagrożenie. Wiele nowoczesnych metod szyfrowania i kryptografii stanie się bezbronnych i zagrożonych. Hashowanie Bitcoina za pomocą algorytmu SHA-256 mogłoby zostać złamane przez stabilne komputery kwantowe z 4000 qubitów. Takie komputery jeszcze nie powstały. Najnowszy wydajny model do takiego zadania zbudowany jest ze 127 qubitów.

Mimo wysokiej liczby, korelacja jednostek jest łatwo łamana i wymaga idealnych warunków do obliczeń. Na przykład przypadkowy foton, który dostanie się do układu w wyniku błędu niedoskonałości, może wprowadzić do obliczeń nieodwracalne błędy.
Im więcej użytych qubitów, tym bardziej niestabilne staje się ich sprzężenie. W przypadku jednostek 4- i 16-kubitowych wyprodukowanych przez technologiczny start-up Rigatti, zarejestrowane poziomy błędów wynoszą aż 8,92% i 16,37%.

Jak zabezpieczyć blockchain przed zagrożeniami kwantowymi?

Według przybliżonych szacunków, stworzenie wystarczająco dużego komputera kwantowego nastąpi w ciągu najbliższych 10-15 lat. Nie wystarczy jednak posiadanie odpowiedniej liczby qubitów. Ważne jest, aby wynik obliczeń można było zinterpretować w czasie krótszym niż 10 minut. Wynika to z podatności SHA-256, która występuje tylko przed zamknięciem bloku w łańcuchu.

W momencie, gdy czas interpretacji będzie krótszy, kopanie bitcoina stanie się bezsensowne. Tak samo jak większość cyfrowych kopalni na algorytmie Proof-of-Work (PoW). Z tego powodu niektórzy naukowcy pracują nad technikami kryptografii post-quantum. Opierają się one na takich podstawach matematycznych:

• Szyfrowanie za pomocą kodu liniowego.
• Teoria kratownic.
• Algorytmy funkcji haszujących ze stabilnymi dowodami.

Podsumowanie

Potencjał cząstek kwantowych może doprowadzić do kolejnej rewolucji technologicznej. Obecnie na poziomie krajowym spotykamy się z jego zastosowaniami - laserowe leczenie chorób oczu czy obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI). Zagrożenie narażenia na szwank istniejącej technologii blockchain jest doskonałym powodem do stworzenia bardziej bezpiecznych metod szyfrowania.