Хабрахабр

[Перевод] Квантовые вычисления: конец блокчейна?

Доброй субботы, Хабр!

Падут ли они под натиском новых квантовых возможностей или, наоборот, станут еще более неуязвимыми? 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.

Тем временем, следите за рекламой — книга Владимира Силвы на подходе — и не забудьте поучаствовать в голосовании.
Давайте разберемся, что такое блокчейн.

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

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. Предельно просто блокчейн можно описать так: это реестр, в который записываются транзакции определенного типа.

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

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

>>> import hashlib
>>> def hash(mystring):
... hash_object=hashlib.md5(mystring.encode())
... print(hash_object.hexdigest())
...
>>>
>>> hash("Kellogg first block")
10a4826ea290595ef96e945b31054254

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.

Каким образом? Однако, все может измениться с приходом квантового компьютера, который потенциально представляет угрозу для блокчейна и криптовалют. 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 современном CPU каждый транзистор даже мельче вируса ВИЧ. В течение последних десятилетий производители чипов, в частности, Intel, постоянно увеличивают количество транзисторов в CPU, уменьшая их размер. Вот почему распространено мнение, что в будущем действие закона Мура прекратится, и вычислительные мощности перестанут расти такими темпами, к которым мы привыкли. В сущности, мы близки к пределу, где транзисторы сравнятся по размеру с атомами.

Одним из решений данной проблемы представляются квантовые вычисления.

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

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

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

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.

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

Именно благодаря этому принципу n кубитов могут представлять любую суперпозицию, в которую входят до 2^n различных состояний одновременно.

Теперь рассмотрим эту картинку. Которая грань передняя?

Здесь, опять же, вы можете быть не уверены с ответом, но, когда вы определитесь с первым кубом, вы мгновенно определитесь и со вторым. Это интересно. 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.

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

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.

Даже фоновый шум может привести к декогеренции и нарушить квантовый характер частицы. Кубиты исключительно хрупкие.

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?

Когда Марка Андерсона, сооснователя Andreessen Horowitz, спросили о проблеме блокчейна, он сказал:

Значит, нужно найти умника, который решил бы эту проблему. Когда вы говорите венчурному капиталу, что здесь огромная проблема – он только раззадоривается.

Однако, невзирая на его оптимизм, это сложная проблема.

Его предложили Дель Раджан и Мэтт Виссер из университета Виктории в Веллингтоне, Новая Зеландия. Одним из потенциальных решений является квантовый блокчейн, основанный на квантовой криптографии. Создать блокчейн на основе квантовых частиц, запутанных во времени. Идея проста: если компьютеры стали считать слишком быстро, значит, нужно усложнить задачу. 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.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть