Квантовый чип Google Willow против безопасности Биткойна — что поставлено на карту?

Квантовые вычисления против классических вычислений

Фундаментальное различие между квантовыми и классическими вычислениями заключается в способе обработки информации.

Давайте разберемся в различиях более подробно:

• Классические вычисления: используются двоичные биты (0 и 1) для последовательного выполнения вычислений. Даже самые быстрые классические суперкомпьютеры решают проблемы посредством линейной прогрессии.
• Квантовые вычисления: используют кубиты, которые могут существовать в состоянии суперпозиции (как 0, так и 1 одновременно). Когда кубиты запутываются, они мгновенно влияют друг на друга, позволяя системе обрабатывать несколько вычислений параллельно.

Этот параллелизм позволяет квантовым компьютерам преуспеть в специализированных задачах, таких как задачи оптимизации, молекулярное моделирование и криптографическое тестирование, где классические системы терпят неудачу из-за своих линейных ограничений.

Реальные примеры вычислительной мощности Willow:

• Открытие лекарств и материаловедение. Способность Уиллоу моделировать квантовые состояния позволяет исследователям изучать сложные молекулярные взаимодействия. Например, моделирование сворачивания белка — трудоемкая вычислительная задача — может выполняться более эффективно с помощью квантовых систем.
• Моделирование климата. Решая нелинейные уравнения с квантовой скоростью, Уиллоу может моделировать сложные экологические системы, предлагая понимание стратегий смягчения последствий изменения климата.
• Задачи оптимизации. Возможности Willow распространяются на решение логистических задач, таких как оптимизация цепочки поставок и финансовое моделирование, что значительно сокращает время решения по сравнению с классическими методами.

Открытие Willow служит свидетельством достижений, достигнутых в области квантовых вычислений, и, более того, подчеркивает его способность преодолевать трудности, которые раньше считались невозможными.

Как квантовые компьютеры теоретически могут взламывать криптографические алгоритмы

Квантовые компьютеры, оснащенные такими технологиями, как алгоритмы Шора и Гровера, потенциально могут сломать традиционные методы шифрования, решая сложные проблемы с экспоненциальной скоростью.

Появление мощных квантовых компьютеров, таких как «Уиллоу», вызвало споры об их возможном влиянии на криптографическую безопасность, причем «чип Уиллоу», в частности, поднимает вопросы о его влиянии на цифровые валюты, такие как Биткойн и другие системы блокчейна. Эти системы в первую очередь зависят от криптографических алгоритмов, предназначенных для противостояния традиционным угрозам. Однако развитие квантовых вычислений вызвало опасения относительно их потенциальных последствий для криптографической безопасности.

Важность открытых и закрытых ключей для безопасности Биткойна

Безопасность Биткойна основана на криптографии с эллиптической кривой (ECC), в частности, на алгоритме цифровой подписи с эллиптической кривой (ECDSA), что вызывает обеспокоенность в контексте безопасности квантовых чипов по сравнению с безопасностью Биткойна. Связь между открытым и закрытым ключами имеет решающее значение:

• Открытый ключ: открыто используется как адрес для получения биткойнов (BTC).
• Закрытый ключ: хранится в секрете и используется для подписи транзакций, подтверждения права собственности и авторизации движения средств.

Предпосылка безопасности, лежащая в основе ECDSA, лежит в задаче дискретного логарифмирования эллиптической кривой (ECDLP), которую с вычислительной точки зрения невозможно решить классическим компьютерам. Без доступа к закрытому ключу пользователя подделать действительную подпись или получить доступ к средствам становится практически невозможным.

Как квантовые алгоритмы угрожают криптографии

С другой стороны, квантовые компьютеры могут представлять угрозу для наших нынешних структур безопасности. Два важных квантовых алгоритма подчеркивают эти опасности.

• Алгоритм Шора. Может взламывать криптографические системы, такие как ECC, быстро решая такие проблемы, как факторизация целых чисел, позволяя получать частные ключи из открытых ключей.
• Алгоритм Гровера: обеспечивает квадратичное ускорение для грубого хэш-функции. В случае с Биткойном это снизит эффективную силу SHA-256 (используемого в консенсусе доказательства работы) с 256 бит до 128 бит. Хотя по сегодняшним стандартам это остается безопасным, это подчеркивает потенциальные уязвимости в других системах с более слабыми хэш-функциями. 

Квантовая мощность необходима, чтобы взломать Биткойн

Как исследователь, изучающий сферу цифровых валют, я должен сказать, что преодоление надежных криптографических барьеров Биткойна по-прежнему находится далеко за пределами нынешних возможностей квантовых компьютеров, таких как Уиллоу, как показывают исследования, опубликованные в уважаемом журнале Ledger Journal.

• Необходимы логические кубиты. Для эффективной работы алгоритма Шора потребуется как минимум 1500–3000 отказоустойчивых логических кубитов.
• Требуются физические кубиты. Учитывая текущий уровень ошибок, это означает десятки миллионов физических кубитов с учетом коррекции ошибок.

As Alan Watts highlights, today’s systems are still in the “noisy intermediate-scale quantum” (NISQ) phase — a term introduced by American theoretical physicist John Preskill — where errors and instability restrict their practical applications.

Текущие защитные механизмы Биткойна

Безопасность Биткойна основана на сложных криптографических методах, которые трудно взломать традиционными методами, что обеспечивает надежную защиту всех транзакций и целостность системы блокчейн.

Исследуя уникальную криптографическую структуру Биткойна, мы обнаружили, что он входит в число самых безопасных децентрализованных систем. Его безопасность основана на сложных алгоритмах, которые практически невозможно взломать с помощью обычных вычислительных мощностей. Углубляясь в защитные меры, давайте подумаем, может ли квантовый чип Google Willow потенциально обойти эти меры защиты.

ECDSA и SHA-256: основа безопасности Биткойна

Ранее упоминалось, что процесс транзакции Биткойн основан на алгоритме цифровой подписи на основе эллиптической кривой (ECDSA) для создания и подтверждения цифровых подписей. Более того, механизм консенсуса «доказательство работы» Биткойна использует SHA-256, тип криптографической хэш-функции, для защиты блокчейна.

• Майнеры решают вычислительную головоломку с использованием SHA-256, чтобы добавить новые блоки в блокчейн.
• Хэш-функция спроектирована так, чтобы быть необратимой, то есть вычислительно невозможно реконструировать входные данные из ее хешированных выходных данных.

Представляет ли Уиллоу угрозу для Биткойна?

Хотя квантовый чип Google Willow, имеющий 105 кубитов и заметный прогресс в области квантовых вычислений, сейчас не представляет непосредственной опасности для криптографических основ Биткойна, важно отметить, что для взлома шифрования Биткойна ECDSA или SHA-256 потребуется значительное количество отказоустойчивых логических кубитов (от 1500 до 3000), что намного превышает возможности Willow в настоящее время. Как обсуждалось ранее, нынешним квантовым системам не хватает масштабируемости, необходимой для того, чтобы бросить серьезный вызов сильной защите Биткойна.

Многоуровневая криптография, включающая ECDSA и SHA-256, делает Биткойн очень устойчивым к современным квантовым технологиям. На этом этапе (NISQ) ошибки и нестабильность Willow ограничивают его практическое использование, создавая временный пробел, который поддерживает текущую безопасность криптографической защиты Биткойна.

Криптосообщество и реакция криптографов на безопасность Willow vs. Bitcoin

Признавая потенциальную опасность, которую могут представлять квантовые вычисления, сектор криптовалют принимает меры, инициируя исследования и создавая квантовобезопасные криптографические методы.

Продолжающиеся усилия в области постквантовой криптографии

Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) возглавляет разработку единых стандартов для постквантовых криптографических методов (PQC). Эти методы созданы, чтобы противостоять как традиционным, так и квантовым атакам. На данный момент потенциальные окончательные варианты таковы:

• Криптография на основе решеток. Такие алгоритмы, как CRYSTALS-Dilithium и Kyber, основаны на решетчатых структурах, которые остаются защищенными от квантовых атак.
• Подписи на основе хеша. Они используют криптографические хеши, которые более устойчивы к квантовым алгоритмам, таким как алгоритмы Шора или Гровера.

После создания эти стандарты могут быть включены в Биткойн и различные другие сети блокчейнов, повышая их долгосрочную устойчивость безопасности.

Предложения Виталика Бутерина по безопасности Ethereum

Виталик Бутерин, ключевая фигура в Ethereum, часто обсуждал важность готовности к потенциальным угрозам квантовых вычислений. Некоторые из его основных предложений включают:

• Подписи Лампорта: квантовоустойчивые схемы одноразовых подписей, которые легко реализовать, но требуют большего объема хранилища.
• Гибкость перехода: Модульная структура Ethereum позволяет ему внедрять новые криптографические стандарты быстрее, чем Биткойн. Например, Ethereum может интегрировать постквантовые алгоритмы посредством обновлений своих механизмов консенсуса.

Проактивный подход Бутерина обеспечивает основу для других блокчейн-проектов.

Более широкие отраслевые исследования

Ведущие эксперты в области криптографии и исследований играют ключевую роль в создании квантовобезопасных технологических решений.

• Адам Бэк: Пионер в области криптографии блокчейна, Бэк подчеркнул важность интеграции PQC (пост-квантовой криптографии) в протокол Биткойна без ущерба для его децентрализованной природы.
• Билл Бьюкенен: Его работа в области решетчатой ​​криптографии и безопасных систем предлагает надежные решения для противодействия квантовым атакам.

Несколько блокчейн-инициатив исследуют гибридные системы, сочетающие традиционные методы шифрования с квантовобезопасными алгоритмами. Это сделано для того, чтобы облегчить переход, когда квантовые компьютеры начнут становиться практически полезными.

Что поставлено на карту: потенциальные последствия квантовых прорывов

Прорывы в области квантовых вычислений могут представлять угрозу безопасности блокчейнов, что потенциально может привести к взлому цифровых кошельков и нестабильности рынков. Положительным моментом является то, что это также может ускорить прогресс в разработке надежной криптографической защиты.

Изучение роста квантовых вычислений означает, что мы также сталкиваемся с потенциальными угрозами и преимуществами для Биткойна и всего сектора криптовалют. Очень важно, чтобы все вовлеченные стороны осознали эти последствия, поскольку они имеют решающее значение для нашего процесса принятия решений.

Потенциальные риски

Скомпрометированные кошельки:

• Полностью масштабируемый, отказоустойчивый квантовый компьютер может получать частные ключи из открытых ключей, обеспечивая несанкционированный доступ к кошелькам.
• Если это произойдет, средства могут быть украдены, что подорвет доверие к безопасности Биткойна.

Нестабильность сети:

• Страх перед квантовыми уязвимостями может привести к панике на рынке, что повлияет на цену Биткойна и его принятие.
• Исторически сложилось так, что даже предполагаемые технические риски (например, форки или ошибки протокола) могут вызвать значительную волатильность цены Биткойна.

Запоздалый консенсус:

• Если квантовые атаки нарушат механизм PoW Биткойна, это может привести к замедлению проверки транзакций или разделению сети.

Позитивные изменения

Хотя существуют значительные риски, динамичные усилия и прогресс в технологиях шифрования в секторе криптовалют предлагают оптимистическую перспективу.

• Сроки благоприятствуют криптовалюте: Эксперты сходятся во мнении, что до появления квантовых компьютеров, имеющих криптографическую значимость, осталось как минимум 10–20 лет, что дает криптосообществу достаточно времени для перехода к квантовоустойчивым стандартам.
• Достижения в криптографии. Постквантовые алгоритмы не статичны, а быстро развиваются. Исследователи уверены, что темпы криптографических инноваций обгонят квантовые достижения.
• Усиление безопасности: Интеграция PQC в системы блокчейнов может сделать их более защищенными как от квантовых, так и от классических угроз, устраняя квантовые угрозы безопасности биткойнов и укрепляя доверие к децентрализованным финансам.

Стабильность и возможности рынка

• Планирование перехода. Проекты, в которых прозрачно описываются стратегии квантового перехода, могут привлечь большее доверие инвесторов.
• Катализатор инноваций. Квантовые прорывы могут стимулировать инновации в блокчейне, такие как квантово-безопасные кошельки и децентрализованные системы, оптимизированные для постквантовых сред, устраняющие влияние квантовых чипов на блокчейн.

В конечном счете, поскольку до появления практических квантовых компьютеров еще несколько лет, у криптосектора есть время на адаптацию, что приведет к более надежному и безопасному децентрализованному будущему.