Квантовый компьютер Google и биткоин — почему майнерам нечего бояться
22 сентября Google якобы с гордостью объявила о создании квантового компьютера. Устройство построено на особых «чипах» Sycamore, а его мощность складывается из 54 сверхпроводящих квантовых битов, известных как «кубиты». Будучи «связанными» друг с другом, кубиты смогли решить уравнение со случайными числами за 3 минуты и 20 секунд, а, например, самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit на решение потребовалось бы 10 000 лет.
Невероятные возможности КК Google убедили сторонников криптовалют в том, что теперь компания может взломать любой блокчейн, включая сеть Биткоин, во время обеденного перерыва. Но так ли это на самом деле и когда ждать взлома?
Несколько слов о квантовых компьютерах и квантовом превосходстве
Все, кому известно о том, что такое квантовый компьютер, кубит и квантовое превосходство могут смело переходить к следующему разделу ибо ничего нового здесь не найдут.
Итак для ориентировочного понимания угрозы, которая гипотетически может исходить от квантовых компьютеров, следует понять, что это за устройства. Квантовый компьютер — это преимущественно аналоговая вычислительная система, которая использует физические явления, описываемые квантовой механикой, для обработки данных и передачи информации. Если точнее, то квантовые компьютеры применяют для вычислений квантовую суперпозицию и квантовую запутанность.
Благодаря использованию квантовых явлений в механизмах вычислений, вычислительные системы способны проводить отдельные операции в десятки и сотни тысяч, а в теории и в миллионы раз быстрее, чем классические компьютеры (в т. ч. суперкомпьютеры). Такая производительность в отношении определенных вычислений объясняется применением кубитов (квантовых битов).
Кубит (квантовый бит или квантовый разряд) — наименьший из существующих элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Подобно биту, кубит допускает
(Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация)
Если сравнивать классический бит, который содержит 0 либо единицу с кубитом, то бит отвлеченно представляет собой обычный выключатель, имеющий два положения “вкл” и “выкл”. Кубит при подобном сравнении будет представлять из себя нечто, напоминающее регулятор громкости, где “0” — это тишина, а “1” — максимально возможная громкость. Регулятор может принять любое положение от нуля до единицы. При этом, для того чтобы стать полноценной моделью кубита, он ещё должен имитировать коллапс волновой функции, т.е. при любом взаимодействии с ним, например, взгляде на него, регулятор должен перемещаться в одно из крайних положений, т.е. “0” либо “1”.
На самом деле всё несколько сложнее, но если не лезть в дебри, то благодаря использованию суперпозиции и запутанности, квантовый компьютер сможет сохранять и оперировать колоссальными (для настоящего времени) объемами информации. При этом он будет тратить на совершение операций значительно меньше энергии, чем классические компьютеры. Благодаря опоре на явления квантовой механики, будет обеспечиваться параллельность вычислений (когда для получения валидного результата нет необходимости в анализе всех вариантов потенциальных состояний системы), что и обеспечит сверхвысокую производительность при минимальном энергопотреблении.
На данный момент в мире создано несколько моделей перспективных квантовых компьютеров, но не один из них не превзошел по производительности мощнейшие из созданных классических суперкомпьютеров. Создание такого квантового компьютера будет означать достижение квантового превосходства. Считается, что для достижения этого самого квантового превосходства необходимо создать 49 кубитный квантовый компьютер. Именно о таком компьютере и было сообщено в сентябре на сайте NASA, в публикации, которая быстро исчезла, но породила много шума.
Взлом кода биткоина
Именно благодаря этим недавним достижениям в области квантовых вычислений команда из Сассекского университета под руководством Марка Веббера, доктора философии, задалась целью изучить технические требования, необходимые для взлома сети Bitcoin.
«Транзакции объявляются и существует ключ, связанный с этой транзакцией», — сказал Уэббер в интервью NewScientist. «Существует определенное время, в течение которого этот ключ уязвим, и оно меняется, но обычно составляет от 10 минут до часа, а возможно, и дня».
Веббер и его команда подсчитали, что для взлома кода биткоина за 10 минут потребуется квантовый компьютер с 1,9 миллиарда кубитов. Для взлома за час потребуется 317 миллионов кубитов, а для взлома за сутки — 13 миллионов кубитов.
«Такое высокое требование к физическим кубитам подразумевает, что сеть Биткоин будет защищена от атак квантовых вычислений в течение многих лет ( предположительно более десяти лет)», — написал Веббер в работе, напечатанной в издании AVS Quantum Science. И хотя пока владельцы биткоинов могут спать спокойно, в относительно недалеком будущем их криптовалютные активы могут стать уязвимыми».
Угроза квантового компьютера для криптовалют
Несмотря на то, что до достаточно мощных квантовых компьютеров, пригодных для выполнения подобной задачи ещё далеко – это всё равно будущая угроза для современных криптовалют. Поэтому важно подумать об этом уже сегодня.
Основная проблема заключена в том, что квантовый компьютер может высчитать закрытый ключ, которым подписывают транзакцию, на основе открытого ключа, который виден во время транзакции. Следовательно, есть возможно произвести несанкционированный расход [совершить кражу].
Как уменьшить подобную угрозу? Есть всего несколько слабых мест, которые потенциально позволяют квантовым компьютерам получить доступ к монетам.
Открытый ключ
Во-первых, злоумышленник должен получить открытый ключ. И хотя адрес кошелька основан на открытом ключе – он хэшируется алгоритмами, которые в настоящее время не подвержены атакам квантовых компьютеров. Однако, во время транзакции – открытый ключ виден.
Для каждой транзакции владелец авторизует перевод монеты на другой адрес, подписывая хэш предыдущей транзакции и открытый ключ, после чего добавляет их в конец цепочки.
Самый простой способ увидеть, что происходит в процессе транзакции – это посмотреть код в действии. Для этого можно использовать сервис pybitcointools:
Пошаговый алгоритм (кратко):
- Создание приватного ключа
- Генерация открытого ключа из закрытого ключа
- Подпись транзакции закрытым ключом
- Открытый ключ виден в коде транзакции
- Отправка транзакции
Несмотря на то, что открытый ключ виден во время проведения каждой транзакции – без предварительного выполнения вышеуказанных шагов получение закрытого ключа займёт для классического компьютера больше времени, нежели возраст Вселенной, поэтому схема безопасна.
При этом, на сегодня, для большинства солидных бирж стандартом является иерархический детерминированный кошелек. Такой кошелёк позволяет использовать множество адресов. Это означает, что как только закрытый ключ используется для транзакции – он более недействителен. Поэтому, монеты могут быть перехвачены только в сам момент совершения транзакции.
Повторное использование адресов кошелька
Помимо уязвимости самой криптографии – безопасность ваших монет зависит от биржи. Не все биржи предоставляют иерархический детерминированный кошелек, поэтому многие из них просто не используют адрес повторно. Однако, если они это будут делать – закрытый ключ может быть снова использован для подписи транзакции. А это значит, что давняя транзакция может быть использована для восстановления закрытого ключа и, соответственно, перемещения монет.
Достаточно быстрые атаки
Но, даже если не использовать адреса повторно – всё ещё остаётся время для атаки во время проведения транзакции. Таким образом, пока транзакция не подтверждена – она остаётся уязвимой. И тем не менее, для квантового компьютера этого короткого времени достаточно чтобы перенаправить транзакцию.
Крейг Гидни и Мартин Экера опубликовали в мае 2019 года статью о том, как вычислить 2048-битные целые числа RSA за 8 часов, используя 20 млн кубитов.
Среднее время подтверждения биткойн-транзакции в июне 2019 года составляло 9,47 минут. Однако были периоды, когда среднее время подтверждения достигало 11453 минут – более 7 дней!
Поэтому, всё что потребуется сделать злоумышленнику с достаточно мощным квантовым компьютером – это перехватить транзакцию, выставить ей более высокую комиссию и перенаправить на собственный кошелёк.
Чтобы не допустить этого – можно установить для настоящих владельцев кошельков крайне высокие комиссии за каждую транзакцию. Но, с учётом того, что именно низкие комиссии делают криптовалюты столь популярными – это может нанести им вред.
Потерянные монеты
В идеале, стоит планировать переход на новые криптографические стандарты задолго до того, как появится гигантский квантовый компьютер. Люди должны успеть переместить свои монеты до того времени, когда возникнут реальные риски. Через какое-то время криптография на эллиптических кривых станет небезопасной, и ценность блокчейна может устремиться к нулю. Переход решит проблему квантового компьютера, который в дальнейшем может получить полный доступ к криптовалютам.
При этом, некоторые биткойны давно потеряны – их владелец не имеет закрытого ключа, который необходим для совершения транзакций.
Возможно, некоторая часть этих потерянных монет находится на биржах, которые использовали адреса повторно, и поэтому старые монеты остаются уязвимыми. Если получить доступ к открытому ключу, то посредством алгоритма Шора есть шанс восстановить эти старые монеты.
И если человек, который получит эти монеты – начнёт их продавать, то курс биткойнов может рухнуть, что подорвёт доверие к системе. Также, возникают дополнительные вопросы. Поскольку количество биткойнов ограничено, то стоит ли переиздать эти монеты? Или всё же общая капитализация снизится?
Что такое квантовые компьютеры
Квантовый компьютер – это сверхмощное вычислительное устройство, которое обрабатывает информацию примерно в 100 трлн раз быстрее традиционного компьютера. Такая скорость пригодится для обработки больших данных, моделирования нейросетей, и много чего еще из того, что мы называем технологиями будущего.
У этой медали есть и другая сторона. Разработчики утверждают, что квантовый компьютер разрушит современную систему компьютерной безопасности. С такой скоростью обработки данных ничего не стоит за секунды проанализировать терабайты информации и взломать любой криптографический код.
Вот пример: банковские транзакции и сообщения шифруются при помощи алгоритма RSA. Подбирать к нему ключи на обычном компьютере придется десятки, а то и сотни тысяч лет. Квантовый справится с задачей за минуты.
«Сегодня мы находимся на стадии, когда у нас есть квантовые компьютеры – мы можем использовать их, программировать их. Мы в поиске устойчивых способов их индустриализации и стабилизации технологии. Также мы продолжаем учиться создавать алгоритмы для них», – так прокомментировал прогресс в сфере разработок квантовых компьютеров амбассадор IBM в Европе, доктор компьютерных наук Марк Мэттингли-Скотт во время одной из своих лекций.
Эксперт уверен, что человечество готово к таким машинам и последствиям их работы.
Как работает квантовый компьютер
Квантовый компьютер, в отличие от обычного, оперирует не битами (единица измерения информации в двоичной системе счисления), а квантовыми битами, или кубитами. Эта технология ускоряет работу устройства в сотни раз.
На аппаратном уровне квантовый компьютер тоже сложнее своего предшественника. В нем больше деталей и для эффективной работы ему необходимо постоянное охлаждение.
Какие квантовые компьютеры есть на рынке
Прототипы квантовых компьютеров появились в конце двадцатого века. Осенью 2019 года компания Google представила последнюю разработку, продемонстрировав новые возможности квантовых вычислений.
Эксперимент NASA показал, что машине потребовалось 3 минуты и 20 секунд для того, чтобы произвести расчет, на который самому мощному на тот момент суперкомпьютеру Summit (IBM) потребовалось бы около 10 тыс. лет.
Обзор квантового компьютера Google:
По неизвестным причинам команда NASA удалила отчет, но его успели скопировать журналисты The Financial Times.
В начале декабря 2020 года на рынке появился новый, еще более мощный квантовый компьютер, созданный группой китайских ученых под руководством известного физика Пань Цзяньвэй (Pan Jianwei). По результатам тестов, опубликованных в журнале Science, производительность устройства превысила показатели компьютера Google в 10 млрд раз, а современного суперкомпьютера – в 100 трлн раз.
Видеорепортаж с обзором китайского квантового компьютера:
При этом разработчики не рассказали, сколько стоит квантовый компьютер нового поколения.
Квантовые компьютеры на службе государства
Разработчики нового квантового компьютера считают, что создание такой машины приблизило Китай к квантовому превосходству. Высокопроизводительное устройство, способное оперативно решать сложные задачи, даст стране преимущества в различных отраслях, от химии до искусственного интеллекта и анализа больших данных.
На видео ниже Пань Цзяньвэй презентует этапы формирования «квантовой коммуникации» на базе собственных разработок и проводит параллели с развитием человеческой цивилизации.
Разработчик отметил, что 100 тыс. лет назад Человек разумный (Homo sapiens) победил в эволюционной борьбе более приспособленных к выживанию Неандертальцев (Homo neanderthalensis), потому что научился общаться и обмениваться информацией.
В 21 веке люди продолжают развивать коммуникацию, но уже на квантовом уровне. Цзяньвэй уверен, что работа в этом направлении будет основой дальнейшей эволюции человечества.
Как квантовые компьютеры стали врагами майнеров
Наличие сверхмощного вычислительного устройства даст человеку или группе людей преимущество и контроль над сетью, поставив под угрозу индустрию добычи криптовалют.
Для майнинга нужно высокопроизводительное оборудование. Участники рынка цифровых активов используют вычислительные мощности своих компьютеров, чтобы решать математические задачи. Одни работают на бытовых компьютерах, другие приобретают специальные устройства для добычи криптовалют – асики.
Вознаграждение получает тот, кто решит задачу раньше остальных, поэтому, чем выше производительность компьютера, тем больше шансов опередить конкурентов и получить награду. Иногда майнеры объединяют компьютерные мощности и решают задачи совместно. Единственный минус – прибыль приходится делить на всех участников пула.
Но майнеров равно много, они рассеяны по всему миру, так достигается эффект децентрализации.
Распределение добытых блоков по майнерам и пулам за последние 4 дня. График от 10 декабря 2020 года. Данные: blockchain.com
На графике видно, что активность майнеров в сети биткоина распределена между частными лицами и крупными пулами. Все участники сети конкурируют за право получить награду – поэтому на рынке нет единогласного лидера.
Совокупный объем вычислительных мощностей, которые майнеры подключили к сети биткоина, называют хэшрейтом. Благодаря соперничеству сторон, на рынке добычи криптовалют сохраняется равновесие – ведь все работают примерно на одном и том же оборудовании.
График хэшрейта биткоина. Данные: blockchain.com
Квантовые компьютеры могут нарушить этот баланс, перехватив 51% хэшрейта биткоина (так называемая атака 51%). Тот, кому принадлежат эти вычислительные мощности, получит контроль над сетью криптовалюты.
Такой захват власти нарушит работу сети и блокирует подтверждение транзакций. Кроме того, из-за атаки 51% возникнет угроза двойной траты.
Чтобы реализовать такую атаку при помощи компьютеров и асиков потребуется колоссальное количество денег и электроэнергии. Квантовый компьютер, подключенный к сети криптовалюты, решит эту задачу быстрее и дешевле.
Больше информации о майнинге криптовалют – его особенностях и вариантах работы вы сможете узнать из нашего материала.
Почему квантовые технологии угрожают криптовалютам
Перехват большей часть хэшрейта в сети биткоина и других криптовалют, при создании которых разработчики использовали криптографию, может полностью вывести проект из строя. Противостоять таким действиям смогут только пользователи, в распоряжении которых есть устройства с аналогичными показателями мощности.
На практике, такая схема вряд ли будет доступна. Дело в том, что купить квантовый компьютер сегодня, чтобы противостоять врагу – задача практически невыполнимая. Соответственно, атака со стороны владельца такого устройства на сеть биткоина может оказаться для нее фатальной.
По мнению аналитиков компании Deloitte, при помощи квантового компьютера, в том числе, можно организовать кражу криптовалюты (через задействование его вычислительных мощностей для подбора кодов доступа). В ходе своих работ, исследователи пришли к выводу о том, что уровень угрозы зависит от типа хранения монет. В зоне повышенного риска, по их подсчетам, находится, как минимум, 25% всех добытых биткоинов.
График квантовой уязвимости биткоинов. Данные: Deloitte
CEO британской криптографической компании Post-Quantum Андрисен Ченг (Andersen Cheng), в свою очередь, отметил в ходе интервью для DeCrypt, что сегодня участники криптосообщества должны заняться разработкой инструментов противодействия квантовым взломам. В противном случае, по его мнению, разрушительная сила таких машин может уничтожить биткоин.
Интересный факт! В настоящий момент созданием пост-квантовых криптографических алгоритмов занята команда Национального института стандартов и технологий США (NIST). При помощи разработок компании, в теории, в сети криптовалюты можно будет запрограммировать форк, чтобы организовать ответвление блокчейна. Новая «ветвь» сможет продолжить безопасную работу на базе нового, устойчивого к атакам квантовых компьютеров алгоритма.
Разработка NIST может появиться на рынке к 2022 году. До этого времени криптосообщество будет находиться в состоянии «квантовой неопределенности» своего будущего.
Несмотря на обозначенные риски, в сети также можно встретить мнения, согласно которым исходящая от квантовых компьютеров угроза биткоину чрезмерно преувеличена.
Чего еще боятся участники криптосообщества
Недавно популярный в криптосообществе аналитик, автор S2F-модели прогнозирования PlanB провел среди своих читателей опрос. Его темой стали главные риски, с которыми может столкнуться биткоин.
Квантовые компьютеры, несмотря на их разрушительную силу, оказались лишь на втором месте. При этом самой страшной, по мнению участников криптосообщества, угрозой стало регуляторное давление со стороны властей. В список других опасностей пользователи сети включили следующие пункты:
- Централизованный майнинг. Дело в том, что свыше 70% хэшрейта биткоина находится в Китае. В случае, если власти КНР получат контроль над местными майнерами, сеть криптовалюты может оказаться под угрозой.
- Мошенническое программное обеспечение и взломы.
- Производные финансовые инструменты.
- Форки – новые, улучшенные версии BTC.
Немного теории о способностях квантового компьютера
Вычислительная мощность квантовых компьютеров теоретически намного выше, чем у обычных компьютеров. Они не только более мощные, потому что они могут за тот же промежуток времени выполнять гораздо больше операций, чем традиционные компьютеры, но и потому, что они работают по-разному.
Действительно, вычислительная мощность квантового компьютера потенциально настолько выше, что разница с традиционными компьютерами будет астрономической.
Но это только теория, поскольку на сегодняшний день нет никаких доказательств того, что квантовые компьютеры действительно пригодны для майнинга. Основными проблемами, с практической точки зрения, являются высокие расходы на эксплуатацию и тот факт, что квантовые компьютеры в настоящее время все еще являются лишь прототипами, которые не могут непрерывно работать на полную мощность. Поэтому эта проблема не вызывает у нас особого беспокойства.
Что такое квантовый компьютер
Это вычислительные системы, задействующие квантовую механику с целью обработки и передачи информации. Делают они это в тысячи (а порой и в миллионы) раз быстрее современных компьютеров благодаря кубитам (квантовым битам). Именно последние стали прорывной особенностью.
Пока бит способен принять лишь одно из двух значений – 0 или 1, квантовый бит может принимать значения и 0, и 1 в одночасье. Такой функционал возможен благодаря явлениям квантовой суперпозиции и запутанности, используемых устройствами для мгновенной обработки данных и их передачи. Таким образом, квантовый компьютер может сохранять колоссальные объемы информации и тратить на их чтение в разы меньше энергии в сравнении со своими «предками». Параллельность квантовых вычислений заключается в том, что им не нужно анализировать все варианты потенциальных состояний системы.
Первый успешный тест 7-кубитного квантового компьютера произошел еще в 2001-м под патронатом IBM. В 2009-м группа физиков из Национального института стандартов и технологий США сумела сконструировать программируемый 2-кубитный квантовый компьютер. Параллельно с этим канадская фирма D-Wave Systems еще с 2007-го тестировала разные устройства, задействуя мощности от 16 до 1 000 кубит. Самым прогрессивным из ее детищ стал 2000-кубитный квантовый компьютер D-Wave 2000Q, представленный в январе 2017-го. Стоимость таких машин на сегодняшний день составляет до $15 млн и пока они не применяются полноценно даже на коммерческом уровне.
В 2015 году представители Google сообщили о проведенном исследовании, в ходе которого выяснилось, что устройство D-Wave, использующее квантовые эффекты, распределяет кубиты в отдельные кластеры по 8 штук и способно предоставить результат в 100 млн раз быстрее обычного ПК. Отметим, что такие выводы были сделаны лишь в специально заданном для тестирования алгоритме. Чуть позже, в марте 2018-го, подразделение Google Quantum AI lab представило разработанный ими 72-кубитный квантовый процессор, получивший имя Bristlecone. С его помощью планируют проверять масштабируемость технологии и потенциальные системные сбои.
Последней крупной новостью, связанной с квантовыми компьютерами, стал 20-кубитный IBM Q System One, представленный одноименным техно-гигантом на выставке CES 2019 в январе этого года. Естественно, запустить на нем игру или майнить биткоин нельзя. Фактически, такой квантовый компьютер представляет собой аналоговый вычислитель, оптимизированный для расчета состояния химических и биологических реакций. К сожалению, для технологического прорыва в этой области 20 кубитов очень мало.
