Waarom de verbijsterende natuurkunde van quantumcomputing beangstigend is voor bitcoin en crypto

Deze week publiceerde Google een paper waarin wordt beschreven hoe een quantumcomputer theoretisch een bitcoin private key in 9 minuten zou kunnen afleiden, met gevolgen die zich uitstrekken tot Ethereum, andere tokens, privébankieren en mogelijk alles in de wereld.

Quantumcomputing wordt gemakkelijk aangezien voor een snellere versie van een gewone computer. Maar het is geen krachtigere chip of een grotere serverfarm. Het is een fundamenteel ander soort machine, anders op het niveau van het atoom zelf.

Een quantumcomputer begint met een zeer koude, zeer kleine metalen lus waar deeltjes zich op manieren beginnen te gedragen die ze niet doen onder normale omstandigheden op aarde, manieren die veranderen wat we beschouwen als de basisregels van de natuurkunde.

Begrijpen wat dat fysiek betekent, is het verschil tussen lezen over de quantumdreiging en deze daadwerkelijk begrijpen.

Hoe computers en quantumcomputers daadwerkelijk werken

Gewone computers slaan informatie op als bits — elk is ofwel een 0 of een 1. Een bit is een kleine schakelaar. Fysiek is het een transistor op een "chip" — een microscopische poort die elektriciteit doorlaat (1) of niet (0).

Elke foto, elke bitcoin-transactie, elk woord dat je ooit hebt getypt, wordt opgeslagen als patronen van deze schakelaars die aan of uit staan. Er is niets mysterieus aan een bit; het is een fysiek object in een van de twee definitieve toestanden.

Elke berekening is gewoon het heel snel herschikken van deze 0'en en 1'en. Een moderne chip kan er miljarden per seconde doen, maar doet ze nog steeds één voor één, in volgorde.

Quantumcomputers gebruiken iets dat bekend staat als qubits in plaats van bits. Een qubit kan 0, 1 zijn, of — en dit is het vreemde deel — beide tegelijkertijd!

Dit is mogelijk omdat een qubit een volledig ander soort fysiek object is. De meest voorkomende versie, en degene die Google gebruikt, is een kleine lus van supergeleidend metaal gekoeld tot ongeveer 0,015 graden boven het absolute nulpunt, kouder dan de ruimte maar hier op aarde.

Bij die temperatuur stroomt elektriciteit door de lus zonder enige weerstand, en wordt gezegd dat de stroom in een quantumtoestand bestaat.

In de supergeleidende lus kan de stroom met de klok mee stromen (noem dat 0) of tegen de klok in (noem dat 1). Maar op quantumschaal hoeft de stroom geen richting te kiezen en stroomt deze daadwerkelijk in beiderichtingen tegelijkertijd.

Verwar het niet met heel snel schakelen tussen de twee. De stroom is meetbaar, experimenteel en verifieerbaar in beide toestanden tegelijkertijd.

Geestverbuigende natuurkunde

Tot zover mee? Geweldig, want hier wordt het echt vreemd, omdat de natuurkunde achter hoe het werkt niet direct intuïtief is, en dat hoort ook niet.

Alles waarmee iemand in het dagelijks leven interageert, gehoorzaamt de klassieke natuurkunde, die ervan uitgaat dat dingen op één plaats op één moment zijn. Maar deeltjes gedragen zich niet op deze manier op subatomaire schaal.

Een elektron heeft geen definitieve positie totdat je ernaar kijkt. Een foton heeft geen definitieve polarisatie totdat je het meet. Een stroom in een supergeleidende lus stroomt niet in een definitieve richting totdat je het dwingt te kiezen.

De reden dat we dit in het dagelijks leven niet ervaren is decoherentie. Wanneer een quantumsysteem interageert met zijn omgeving, luchtmoleculen, warmte, trillingen en licht, klapinneens de superpositie bijna onmiddellijk in.

Een voetbal kan niet op twee plaatsen tegelijk zijn omdat hij elke nanoseconde interageert met biljoenen luchtmoleculen, stof, geluid, warmte, zwaartekracht, enz. Maar isoleer een kleine stroom in een bijna-absoluut-nul-vacuüm, scherm het af van elke mogelijke verstoring, en het quantumgedrag overleeft lang genoeg om mee te berekenen.

Daarom zijn quantumcomputers zo moeilijk te bouwen. Mensen ontwikkelen fysieke omgevingen waar de natuurwetten die normaal gesproken voorkomen dat dit gebeurt, net lang genoeg op afstand worden gehouden om een berekening uit te voeren.

Google's machines werken in dilutiekoelkasten ter grootte van enorme kamers, kouder dan alles in het natuurlijke universum, omgeven door lagen afscherming tegen elektromagnetische ruis, trillingen en thermische straling.

En de qubits zijn zelfs dan fragiel. Ze verliezen constant hun quantumtoestand, wat de reden is waarom "foutcorrectie" elk gesprek over opschaling domineert.

Dus quantumcomputing is geen snellere versie van klassiek computeren. Het is het exploiteren van een andere set natuurwetten die alleen van toepassing zijn op extreem kleine schalen, extreem lage temperaturen en extreem korte tijdsspannes.

Stapel dat nu op.

Twee gewone bits kunnen in een van de vier toestanden zijn (00, 01, 10, 11), maar slechts één tegelijk (aangezien stroom slechts in één richting stroomt). Twee qubits kunnen alle vier toestanden tegelijk vertegenwoordigen, omdat de stroom in allerichtingen tegelijkertijd stroomt.

Drie qubits vertegenwoordigen acht toestanden. Tien qubits vertegenwoordigen 1.024. Vijftig qubits vertegenwoordigen meer dan een biljard. Het aantal verdubbelt met elke qubit die wordt toegevoegd, wat de reden is waarom de schaalvergroting zo exponentieel is.

De tweede truc is iets dat verstrengeling wordt genoemd. Wanneer twee qubits verstrengeld zijn, vertelt het meten van de ene een waarnemer onmiddellijk iets over de andere, ongeacht hoe ver ze uit elkaar zijn. Dit laat een quantumcomputer coördineren over al die gelijktijdige toestanden op een manier die gewone parallelle computing niet kan.

En deze quantumcomputers zijn zo ingesteld dat verkeerde antwoorden elkaar opheffen (zoals overlappende golven die afvlakken) en goede antwoorden elkaar versterken (zoals golven die hoger stapelen). Aan het einde van de berekening heeft het juiste antwoord de hoogste waarschijnlijkheid om gemeten te worden.

Dus het is geen brute-force-snelheid. Het is een fundamenteel andere benadering van berekening — een die de natuur een exponentieel grote ruimte van mogelijkheden laat verkennen en vervolgens ineenstort tot het juiste antwoord door natuurkunde in plaats van logica.

Een monumentale bedreiging voor cryptografie

Deze geestverbuigende natuurkunde is waarom het angstaanjagend is voor versleuteling.

De wiskunde die bitcoin beschermt, berust op de aanname dat het controleren van elke mogelijke sleutel langer zou duren dan de leeftijd van het universum.

Maar een quantumcomputer controleert niet elke sleutel. Hij verkent ze allemaal tegelijkertijd en gebruikt interferentie om de juiste naar boven te halen.

Dat is waar het verbonden is met Bitcoin. Eén richting op gaan, van private key naar publieke sleutel, duurt milliseconden. De andere kant op gaan, van publieke sleutel terug naar private key, zou een klassieke computer een miljoen jaar kosten, of zelfs langer dan de leeftijd van het universum. Die asymmetrie is het enige dat bewijst dat een persoon zijn munten vasthoudt.

Een quantumcomputer die een algoritme genaamd Shor's draait, kan door die valluik in omgekeerde richting gaan. Google's paper van deze week toonde aan dat het dit kon doen met veel minder middelen dan iemand eerder schatte, en binnen een tijdsbestek dat racet tegen bitcoin's eigen blokbevestigingen.

Dit is waarom de dreiging van quantumcomputers die blockchain-versleuteling breken, iedereen echt heel bezorgd maakt.

Hoe die aanval stap voor stap werkt, wat Google's paper specifiek veranderde, en wat het betekent voor de 6,9 miljoen bitcoin die al zijn blootgesteld, is het onderwerp van het volgende stuk in deze serie.