Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления - это форма вычислений, основанная на квантовой физике. В то время как классические компьютеры полагаются на биты (нули или единицы) для выполнения вычислений, квантовые компьютеры используют квантовые биты (кубиты), которые используют квантовую механику для существования в «суперпозиции»: комбинация нуля и единицы с некоторой вероятностью для каждого. Например, кубит может иметь 80-процентный шанс быть нулевым и 20-процентный шанс быть равным единице. Или с 60-процентным шансом быть нулевым и с 40-процентным шансом быть им. И так далее.

Идея квантовых вычислений была впервые физик Поль Бениофф в 1980 - х годах. Чуть позже физик-теоретик Ричард Фейнман и математик Юрий Манин первыми предположили, что квантовые компьютеры могут решать задачи, недоступные для классических компьютеров. Действительно, в 1990-х математик Питер Шор разработал алгоритм, который квантовый компьютер мог бы использовать для взлома криптографии с открытым ключом: «алгоритм Шора»” - если квантовые компьютеры когда-либо станут достаточно сильными.

В октябре 2019 года, после десятилетий исследований, Google официально заявила, что достигла «квантового превосходства». По сути, это означает, что квантовый компьютер решил проблему, которую классический компьютер не смог бы решить. Или, если быть более конкретным, он решил проблему за 200 секунд, на решение которой даже самому мощному классическому суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет.

Хотя это был большой прорыв, квантовые компьютеры, похоже, еще очень далеки от работы алгоритма Шора. Во-первых, нынешние квантовые компьютеры недостаточно сильны для этого, и неясно, насколько легко или сложно масштабировать технологию. Более того, чтобы быть действительно полезными, квантовые компьютеры зависят от технического решения, называемого «исправление ошибок», и это тоже остается проблемой.

Предсказать будущее развитие этой технологии сложно, но квантовые компьютеры, на которых может работать алгоритм Шора, вероятно, появятся через годы или даже десятилетия - возможно, они вообще никогда не станут возможными.

Являются ли квантовые вычисления угрозой для Биткойна?

Если квантовые компьютеры достигнут точки, когда они смогут запускать алгоритм Шора и взламывать криптографию с открытым ключом, Биткойн действительно может стать объектом атаки. В частности, некоторые монеты могут быть украдены.

Однако некоторые утверждают, что кража будет несколько ограничена. Хотя все монеты защищены криптографией с открытым ключом (в настоящее время алгоритм ECDSA), большинство монет также защищены алгоритмом хеширования SHA256. Только если оба этих алгоритма не работают, все монеты могут быть украдены сразу, но в настоящее время не похоже, что SHA256 (или любой другой алгоритм хеширования) может быть взломан квантовыми компьютерами.

Тем не менее, очень большое количество монет защищено только криптографией с открытым ключом. По текущим оценкам, около 5 миллионов биткойнов могут быть украдены, если криптография с открытым ключом будет взломана. Вот некоторые из ситуаций, в которых биткойн может подвергаться риску:

• Биткойн, которые были отправлены напрямую на открытый ключ, а не на биткойн-адрес, и с тех пор не перемещались. Это включает в себя многие монеты, которые были добыты в первые два года существования Биткойна. (Многие из этих монет часто приписываются Сатоши Накамото, но неясно, верно ли это.)
• Биткойн, которые хранятся на повторно используемых адресах. После того, как биткойн был потрачен с адреса, был раскрыт открытый ключ этого адреса, и если на том же адресе будет находиться еще какой-либо биткойн, средства могут быть украдены. Это одна из причин, по которой повторное использование адресов не рекомендуется (хотя основной причиной этого является сохранение конфиденциальности).
• Биткойн хранится в кошельках, которые делятся своими открытыми ключами (обычно расширенным открытым ключом) с сервером, поэтому сервер может информировать кошелек о получении монет.
• Биткойн хранится на адресе, с которого был потрачен эквивалент форккойна (например, BCH или BSV).
• Биткойн, которые хранятся в немного более сложных смарт-контрактах, поскольку все стороны в таком контракте обычно знают все соответствующие открытые ключи.

Фактически, даже когда биткойн защищен как открытым ключом, так и хешем, может быть проблемой безопасно потратить такой биткойн в «квантовом мире». Когда пользователь пытается потратить свой биткойн и передать транзакцию по сети Биткойн, у злоумышленника появится возможность попытаться украсть средства. В этот момент злоумышленник может попытаться взломать шифрование с открытым ключом до подтверждения транзакции, а затем повторно отправить биткойн на один из своих адресов.

Достаточно сказать, что если квантовые компьютеры внезапно станут намного сильнее, чем кто-либо ожидал, у Биткойна возникнут проблемы.

Следует отметить, что если внезапно появятся квантовые компьютеры, которые могут запускать алгоритм Шора, биткойн вряд ли станет первой или главной целью. Шифрование с открытым ключом защищает практически всю другую цифровую информацию в мире, включая военную разведку, банковские данные и остальную существующую финансовую инфраструктуру, сети связи и многое другое.

Можно ли модернизировать биткойн, чтобы он стал квантоустойчивым?

Да, протокол Биткойн можно модернизировать, чтобы он стал квантово-устойчивым.

Короче говоря, алгоритм подписи Биткойн должен быть заменен квантово-устойчивым алгоритмом подписи. С момента активации Segregated Witness алгоритм подписи Биткойна можно относительно легко заменить с помощью обратно совместимого обновления софт-форка. (Текущий алгоритм подписи ECDSA может быть частично заменен с помощью софт-форка алгоритмом подписи Шнорра в ближайшем будущем.)

После обновления пользователи должны перенести свои биткойны на новые адреса, чтобы быть защищенными квантово-устойчивым алгоритмом подписи. Пользователи, которые не мигрируют вовремя, прежде чем квантовые компьютеры смогут запустить алгоритм Шора, рискуют тем или иным образом украсть их биткойны.

Протокол Биткойн потенциально также может быть обновлен, чтобы заблокировать использование биткойнов вообще, если они не будут перемещены на безопасный адрес вовремя. Эта мера будет означать, что первоначальный владелец также потеряет биткойн - но, конечно, они, вероятно, все равно потеряют биткойн злоумышленнику. (Было высказано предположение, что эти биткойны потенциально могут быть разблокированы их законными владельцами с помощью криптографии с нулевым разглашением, но это все еще очень спекулятивно.)

Учитывая текущее состояние развития квантовых вычислений, ожидается, что Биткойн будет иметь достаточно заблаговременное предупреждение о необходимости обновления. Эксперты считают, что мы еще не приблизились к этому моменту.

Может ли биткойн-майнинг сломаться?

Квантовые компьютеры могут добывать биткойны быстрее, чем классические компьютеры. Однако, поскольку майнинг биткойна основан на хешировании (а не на криптографии с открытым ключом), он, вероятно, не будет взломан в какой-либо значительной степени.

Скорее, появление квантовых вычислений может привести к новой гонке вооружений за создание самого быстрого оборудования для майнинга, вплоть до момента, когда будет найдено новое равновесие. Аналогичная эволюция ландшафта майнинга биткойнов уже произошла, когда графические процессоры пришли на смену процессорам и когда ASIC пришли на смену графическим процессорам.