Как квантовые вычисления могут угрожать блокчейну

Даже по мере того, как технология блокчейн emerges как новаторская инновация, цифровые активы — такие как криптовалюты и невзаимозаменяемые токены (NFT) — вместе со всей экосистемой децентрализованных приложений (DApps), движимой ею, сталкиваются с вызовами, представленными квантовыми вычислениями. Квантовые вычисления, развивающиеся быстрыми темпами, используют принципы квантовой механики для создания компьютеров, способных решать проблемы, считающиеся слишком сложными для классических или бинарных компьютеров.

Квантовые компьютеры, позиционируемые как грядущая эра вычислений, способная превзойти суперкомпьютеры (классические машины, демонстрирующие значительно более высокую производительность по сравнению с обычными ПК), обладают потенциалом поставить под сомнение существующие нормы безопасности благодаря своему вычислительному превосходству. Их способность решать крайне сложные задачи может также поставить под угрозу устоявшееся представление о неизменности технологии блокчейн.

Квантовые вычисления, обладающие потенциалом дестабилизировать протоколы цифровой безопасности, могут помочь злоумышленникам в организации атак на криптовалюты и различные приложения на базе блокчейна, несмотря на то, что технология всё ещё находится на начальной стадии развития. 

Следовательно, понимание того, что делает квантовые компьютеры столь мощными, и выявление способов, которыми они могут поставить под угрозу приложения на базе блокчейна в будущем, становится жизненно важным. Поскольку глобальная криптоэкосистика находится на грани массового принятия, разработчикам и предпринимателям необходимо ориентироваться в неизведанных территориях, касающихся криптографических алгоритмов, и внедрять инновации для смягчения угроз, исходящих от квантовых вычислений.

Принципы работы квантового компьютера 

Основное различие между квантовыми компьютерами и их классическими или бинарными аналогами заключается в подходе к использованию состояний для представления чисел в сложных вычислениях. Классические компьютеры используют биты для кодирования информации в двоичной форме (0 или 1), тогда как квантовые компьютеры используют кубиты, или «кьюбиты», эксплуатируя такие свойства, как квантовая суперпозиция и запутанность, для одновременного представления нескольких состояний.

Рассмотрим простой пример представления числа от 0 до 255. Классическим компьютерам требуется восемь бит для представления любого числа в этом диапазоне. В отличие от них, квантовый компьютер может представить все 256 чисел одновременно, используя восемь кубитов.

Эта характеристика позволяет квантовым компьютерам рассматривать множество комбинаций и выполнять сложные вычисления со скоростью, значительно превышающей возможности даже самых продвинутых суперкомпьютеров. Используя сверхпроводящие элементы, которые демонстрируют чрезвычайно низкое сопротивление потоку электронов при охлаждении до субнулевых температур, квантовые компьютеры по своей природе чувствительны к теплу, электромагнитным волнам и даже воздействию воздуха, что приводит к потере вычислений в неоптимальных условиях.

Таким образом, грядущая эра вычислений, вероятно, будет находиться между возможностями современных классических компьютеров и продвинутых квантовых компьютеров, если не произойдет значительных прорывов в создании квантовых компьютеров, пригодных для повседневного использования.

IBM создала свою систему Quantum System One — интегрированную систему квантовых вычислений, оснащенную процессором на 127 кубитов. Однако, учитывая стремительный прогресс в области квантовых вычислений, создание квантового компьютера на 1000 кубитов не является недостижимой целью.

IBM планирует представить процессор квантового компьютера на 1121 кубит к 2023 году, что, как ожидается, сделает возможными приложения промышленного масштаба и обеспечит вычислительную мощность, значительно превышающую мощность самого мощного суперкомпьютера в мире.

Уязвимы ли криптовалюты к атакам квантовых вычислений?

Предвидя появление на рынке чистых квантовых вычислительных устройств, грядущая волна вычислений, вероятно, будет поддерживаться квантово-усиленными суперкомпьютерами, объединяющими классические и квантовые рабочие процессы.

Такие устройства могут обладать вычислительной мощностью от 50 до 1000 кубитов, особенно с учетом презентации 433-кубитного IBM Quantum Osprey 9 ноября 2022 года, состоявшейся менее чем через год после дебюта процессора Eagle на 127 кубитов.

Учитывая значительную мощь современных квантовых компьютеров и их ограниченную доступность, можно легко сделать вывод, что еще есть достаточно времени, прежде чем квантовые компьютеры станут реальной угрозой для криптовалют.

Несмотря на огромный потенциал, достижение квантового преимущества останется недостижимым, если не будут разработаны передовые методы подавления ошибок и не будут увеличены скорости вычислений без сопутствующих проблем.

Даже рассматривая сценарий, при котором квантовые вычисления смогут преодолеть криптографию, лежащую в основе криптовалют, для инициирования атаки на хранилище, при которой атакуются адреса кошельков с открытым ключом с целью кражи заключенных в них средств, потребуется астрономическое количество вычислительной мощности. Для такой блокчейн-сети, как Ethereum Network, выполнение такой атаки на хранилище потребовало бы более 10 миллионов кубитов вычислительной мощности.

В случае транзитной атаки, когда злоумышленник использует огромную вычислительную мощность квантового компьютера для перехвата контроля над транзакциями в течение времени блока, масштаб значительно больше, поскольку он включает в себя атаку на все узлы. Тем не менее, учитывая необходимость проведения атаки до добавления нового блока в сеть блокчейна, у злоумышленников есть лишь несколько минут для Bitcoin и несколько секунд для Ethereum, чтобы совершить транзитную атаку.

Для успешного осуществления такой атаки требуются миллиарды кубитов квантовой вычислительной мощности, что дает разработчикам блокчейна достаточно времени для разработки и внедрения новых криптографических алгоритмов подписи, устойчивых к квантовым атакам.

Находится ли Bitcoin под угрозой кражи с помощью квантового компьютера?

Взлом шифрования, защищающего Bitcoin, потребовал бы колоссального развертывания квантовой вычислительной мощности, все под координацией одного субъекта, организующего кражу.

Исследователи из Университета Сассекса указывают, что для проникновения в сеть Bitcoin в течение 10 минут потребовался бы квантовый компьютер, обладающий 1,9 миллиарда кубитов вычислительной мощности. Эта ситуация подразумевает, что хакерам пришлось бы мобилизовать миллионы квантовых компьютеров — сценарий, который кажется маловероятным в ближайшем будущем.

Если атака будет выполнена с меньшей вычислительной мощностью, время, необходимое для ее выполнения, экспоненциально увеличится, предоставив достаточно времени для отключения затронутых узлов и восстановления сети. Хотя атака на хранилище кажется более вероятной, криптовалютам, включая Bitcoin, неизбежно придется инициировать изменения в базовом протоколе блокчейна, чтобы противостоять таким событиям.

Хотя эта стратегия может все еще оставлять кошельки Bitcoin уязвимыми для будущих атак, такие изменения, по всей видимости, легче внедрить, чем введение нового криптографического алгоритма. В настоящее время Bitcoin использует алгоритм цифровой подписи на эллиптических кривых (ECDSA) — криптографический метод, имеющий отдельные алгоритмы подписи и проверки, которые используют закрытый ключ пользователя, открытый ключ и подпись, чтобы гарантировать, что средства могут быть потрачены только им.

Тем не менее, публичные блокчейны требуют консенсуса среди значительного числа пользователей для санкционирования любых изменений в их протоколах, что означает, что даже внесение изменений в протокол Bitcoin может потребовать больше времени, чем предполагалось. Осознавая необходимость квантово-устойчивого программного обеспечения и криптографических решений, множество проектов в сфере криптовалют активно стремится к этой цели.

Будущее Bitcoin в эпоху, когда квантовые вычисления проникнут в мейнстрим, вероятно, потребует перехода к более продвинутой, устойчивой к квантовым атакам системе реестров, все под управлением революционного криптографического алгоритма.

Обозначает ли квантовые вычисления конец для криптовалюты?

Квантовые компьютеры неизбежно революционизируют различные сектора, помогая в молекулярном моделировании, способствуя разработке энергоэффективных материалов и более мощных лекарств, а также улучшая катализаторы, что потенциально принесет пользу многим производственным отраслям.

Несмотря на то, что фундаментальной целью квантовых компьютеров является решение самых сложных проблем мира, эти машины могут быть использованы злоумышленниками для наведения хаоса в публичных блокчейнах и сетях криптовалют.

Ответ на вопрос о долговечности блокчейна перед лицом квантовых вычислений требует эволюции технологии в систему реестров, устойчивую к квантовым атакам, в течение следующего десятилетия. Эта эволюция необходима в основном потому, что квантовые компьютеры могут накопить достаточно мощности для нападения на криптовалюты в течение следующих 10–15 лет.

Одно из возможных решений заключается в увеличении размера ключей, хотя осуществимость постоянного удвоения длины ключей в качестве меры противодействия постоянно усиливающимся квантовым компьютерам еще предстоит установить.

Инновационные криптографические теории, такие как криптография на решетках, где математический шум интегрируется в шифрование для запутывания квантового компьютера, и квантово-устойчивые алгоритмы, основанные на математических задачах, появляются как потенциальные пути развития.

Последний метод создан таким образом, что он затрудняет работу как классических, так и квантовых компьютеров, тем самым сохраняя свою актуальность и безопасность в обоих вычислительных доменах. Независимо от того, будут ли криптовалюты использовать структурированные решетки или хеш-алгоритмы, ключевым фактором будет постоянное опережение возможностей квантовых компьютеров.

Таким образом, хотя квантовые вычисления в настоящее время не представляют прямой угрозы для криптовалют в их существующей форме, потребуется единое усилие для внедрения комплекса изменений, которые защитят децентрализованные структуры управления от надвигающейся опасности квантовых суперкомпьютеров.

Нарушат ли квантовые компьютеры майнинг PoW?

Многие распространенные криптовалюты, включая Bitcoin, зависят от майнинга proof-of-work (PoW) для обеспечения безопасности своих базовых протоколов блокчейна. Подход PoW требует, чтобы участники сети, называемые майнерами, участвовали в конкурентной борьбе, чтобы стать главными решателями сложных математических головоломок, тем самым подтверждая новые транзакции в блокчейне. Криптовалюта, называемая вознаграждением за блок, присуждается победителю этого вычислительного состязания.

Со временем квантовый компьютер может экспоненциально ускорить решение майнинговых головоломок по сравнению с современными майнинговыми устройствами, позволяя тем, кто обладает квантовыми вычислительными возможностями, накапливать майнинговые вознаграждения в больших объемах. Кроме того, это позволяет им потенциально доминировать в процессе проверки транзакций, захватывая преобладающую долю вычислительной мощности сети, сценарий, известный как атака 51%. 

Хотя некоторые исследователи полагают, что квантовые компьютеры не смогут осуществимо выполнить атаку 51% на Bitcoin как минимум до 2028 года, появляющиеся данные свидетельствуют о том, что такое событие может произойти раньше.

Заключение

Пересечение квантовых вычислений и технологии блокчейн открывает новое поле битвы в области кибербезопасности и цифровых активов. Квантовые компьютеры, обладающие глубокой вычислительной мощью, представляют собой как беспрецедентного союзника, так и потенциального противника для технологий блокчейна и криптовалют. Хотя они обладают потенциалом решать некоторые из самых сложных проблем в различных областях, их способность компрометировать в настоящее время безопасные криптографические системы неоспорима. 

Таким образом, выживание блокчейна и криптовалют в будущем, доминируемом квантовыми вычислениями, зависит от проактивной эволюции криптографических алгоритмов и механизмов защиты, устойчивых к formidable возможностям квантовых машин. Ближайшее десятилетие требует серьезного, коллективного усилия со стороны разработчиков, криптографов и участников индустрии для внедрения инноваций, адаптации и защиты децентрализованных цифровых активов от возникающих квантовых угроз, обеспечивая устойчивую жизнеспособность и безопасность криптовалют и технологий блокчейна в будущем, тесно связанном с квантовыми вычислениями.