Хотя технология блокчейна является относительно новой инновацией, цифровые активы, такие как криптовалюты, невзаимозаменяемые токены (NFT) и вся экосистема децентрализованных приложений (DApps), основанных на ней, в настоящее время сталкиваются с проблемой, связанной с квантовыми вычислениями.
Технология, которая развивается быстрыми темпами, квантовые вычисления используют законы квантовой механики для создания компьютеров, которые могут решать задачи, считающиеся слишком сложными для классических или бинарных компьютеров.
Преподносимые как следующее поколение вычислений, которое заменит суперкомпьютеры (класс классических компьютеров с гораздо более высокой производительностью по сравнению с обычными компьютерами), они могут бросить вызов существующим стандартам безопасности из-за своего превосходства в вычислительной технике. Благодаря своей способности решать проблемы высокой степени сложности квантовые компьютеры могут даже перевернуть существующее представление о неизменности технологии блокчейна.
Обладая потенциалом саботировать методы цифровой безопасности, квантовые вычисления могут помочь злоумышленникам организовать атаки на криптовалюты и другие приложения блокчейна, хотя технология все еще находится на начальной стадии развития.
Поэтому важно понять, что делает квантовые компьютеры такими мощными и как они могут подорвать приложения на основе блокчейна в будущем. Поскольку глобальная криптоэкосистема находится на грани массового принятия, разработчикам и предпринимателям придется осваивать неизведанные территории в отношении криптографических алгоритмов и внедрять инновации, чтобы противостоять угрозе, исходящей от квантовых вычислений.
Что такое квантовый компьютер и как он работает?
Основное различие между квантовыми компьютерами и классическими или бинарными компьютерами заключается в том, как они используют состояния для представления любого числа в сложных вычислениях. В то время как бинарные компьютеры используют биты для кодирования информации как 0 или 1, квантовые компьютеры используют квантовые биты или «кубиты» и такие свойства, как квантовая суперпозиция и запутанность, для одновременного представления многих вещей.
Возьмем, к примеру, простой случай представления любого числа от 0 до 255. В то время как классическим компьютерам достаточно восьми битов для обозначения любого числа в этом диапазоне, квантовый компьютер может одновременно представлять все 256 чисел, используя восемь кубитов.
Это позволяет квантовым компьютерам учитывать большое количество комбинаций и выполнять сложные вычисления намного быстрее, чем лучшие суперкомпьютеры. Используя сверхпроводящие элементы, которые обеспечивают очень низкое сопротивление потоку электронов при охлаждении до отрицательных температур, квантовые компьютеры по своей природе чувствительны к теплу, электромагнитным волнам и даже воздействию воздуха, что делает их уязвимыми для вычислительных потерь в далеко не идеальных условиях.
В результате будущее вычислений лежит где-то между существующими классическими компьютерами и сложными квантовыми компьютерами, если не удастся добиться больших успехов в разработке квантовых компьютеров для повседневного использования.
В то время как IBM создала свою интегрированную систему квантовых вычислений Quantum System One, которая поддерживает процессор на 127 кубитов, головокружительные достижения в области квантовых вычислений означают, что квантовый компьютер на 1000 кубитов недалек от реальности.
Фактически, IBM планирует выпустить к 2023 году квантовый компьютер с 1121 кубитом, который сделает реальностью промышленные приложения и предложит вычислительные возможности, во много раз превышающие возможности самого мощного суперкомпьютера в мире.
Уязвимы ли криптовалюты для атак квантовых вычислений?
Прежде чем чисто квантовые вычислительные устройства появятся на рынке, следующую волну вычислений, вероятно, возглавят квантово-ориентированные суперкомпьютеры, объединяющие классические и квантовые рабочие процессы.
Эти устройства могут похвастаться вычислительной мощностью от 50 до 1000 кубитов, особенно с учетом появления 433-кубитного IBM Quantum Osprey 9 ноября 2022 года, менее чем через год после запуска 127-кубитного процессора Eagle.
Учитывая, насколько мощными сейчас являются квантовые компьютеры, и их ограниченной доступностью, было бы легко сделать вывод, что есть еще много времени, прежде чем квантовые компьютеры станут угрозой для криптографии.
Несмотря на предлагаемый огромный потенциал, квантовое преимущество будет невозможным, если не будут изобретены передовые методы подавления ошибок и не будет увеличена скорость вычислений без каких-либо сопутствующих проблем.
Даже если мы рассмотрим возможность квантовых вычислений победить криптографию, используемую в криптовалютах, потребуются чрезмерные уровни вычислительной мощности для запуска атаки на хранилище, в которой адреса кошельков с открытым ключом нацелены на кражу средств, находящихся в них. Для блокчейна, такого как сеть Ethereum, для проведения такой атаки на хранилище потребуется более 10 миллионов кубитов вычислительной мощности.
Для транзитной атаки, в которой злоумышленник задействует огромное количество квантовых вычислительных мощностей, чтобы захватить контроль над транзакциями в течение времени блока, масштаб намного больше, поскольку он будет включать атаку на все узлы. Однако, поскольку критически важно выполнить атаку до того, как в сеть блокчейна будет добавлен новый блок, у злоумышленников остается несколько минут для Биткойна и десятки секунд для Эфириума, чтобы завершить транзитную атаку.
Поскольку для успешного выполнения такой атаки необходимы миллиарды кубитов квантовой вычислительной мощности, разработчики блокчейнов имеют достаточно времени для внедрения новых алгоритмов криптографической подписи, устойчивых к квантовым атакам.
Могут ли квантовые компьютеры украсть биткойн?
Чтобы взломать шифрование, защищающее Биткойн, потребуется совместно развернуть огромное количество квантовых вычислительных мощностей и контролировать их одной организацией, организующей атаку.
По мнению исследователей из Университета Сассекса, квантовый компьютер с вычислительной мощностью 1,9 миллиарда кубитов был бы нужный взломать сеть Биткойн в течение 10 минут. Это потребует от хакеров развертывания миллионов квантовых компьютеров, что маловероятно в обозримом будущем.
При любой более низкой вычислительной мощности для проведения атаки потребуется экспоненциально большее время, что даст достаточно времени для деактивации скомпрометированных узлов и восстановления сети. Поскольку атака на хранилище кажется более вероятной, криптовалюты, такие как биткойн (BTC), должны будут, по крайней мере, принять изменения в базовом протоколе блокчейна, чтобы противостоять таким возможностям.
Хотя этот подход по-прежнему подвергает биткойн-кошельки риску атаки в долгосрочной перспективе, его гораздо проще реализовать, чем внедрение нового криптографического алгоритма. Текущий алгоритм цифровой подписи на эллиптических кривых или ECDSA, используемый Биткойном, представляет собой криптографический алгоритм, который имеет отдельные алгоритмы подписи и проверки, которые используют закрытый ключ пользователя, открытый ключ и подпись, чтобы гарантировать, что средства могут быть потрачены только ими.
Однако из-за того, что общедоступные блокчейны требуют консенсуса от важных пользователей для утверждения любых изменений в их протоколах, даже внесение изменений в протокол Биткойн может занять больше времени, чем предполагалось. Признавая потребность в квантово-устойчивом программном обеспечении и криптографических решениях, в криптопространстве существует множество проектов, посвященных этому делу.
Будущее постквантовых вычислений Биткойн, которые станут мейнстримом, вероятно, будет означать необходимость перехода к более сложной и устойчивой к квантовым вычислениям системе леджеров, основанной на революционном криптографическом алгоритме.
Уничтожат ли квантовые вычисления криптовалюту?
Применение квантовых компьютеров, несомненно, поможет в моделировании молекулярного поведения, поможет в разработке новых энергоэффективных материалов и более эффективных лекарств и даже улучшит катализаторы, которые могут положительно повлиять на многие отрасли промышленности.
Хотя реальная предпосылка разработки квантовых компьютеров заключается в том, чтобы получить возможность решать самые сложные проблемы в мире, они могут быть использованы злоумышленниками для разрушения общедоступных блокчейнов и криптовалютных сетей.
Чтобы ответить на вопрос, переживет ли блокчейн квантовые вычисления, в течение следующего десятилетия технология должна превратиться в устойчивую к квантовым вычислениям систему леджеров. В первую очередь потому, что квантовые компьютеры могут стать достаточно мощными, чтобы атаковать криптовалюты в ближайшие 10–15 лет.
Увеличение размеров ключей может быть одним из решений этой проблемы, хотя еще предстоит выяснить, возможно ли продолжать удваивать количество ключей против квантовых компьютеров, которые со временем станут более мощными.
Новые концепции криптографии, такие как криптография на основе решетки, в которой математический шум добавляется к шифрованию, чтобы сбить с толку квантовый компьютер, и квантово-устойчивые алгоритмы, основанные на математических задачах, — это путь вперед.
Последний подход разработан таким образом, что и классические, и квантовые компьютеры будут иметь трудности с решением, тем самым обеспечивая релевантность и безопасность в обеих вычислительных системах. Независимо от того, реализуют ли криптовалюты структурированные решетки или алгоритмы на основе хэшей, ключевым моментом остается опережать возможности квантовых компьютеров.
Таким образом, хотя квантовые вычисления не бросят вызов криптовалютам в их нынешнем виде, потребуются согласованные усилия для внесения множества изменений, которые защитят децентрализованные структуры управления от будущей угрозы квантовых суперкомпьютеров.
