Раскрытие угрозы: как революционный технологический прогресс ставит под угрозу будущее криптовалюты

На этой неделе Google опубликовал статью, описывающую, как квантовый компьютер теоретически может получить закрытый ключ Биткойна за 9 минут, с последствиями, которые распространяются на Ethereum, другие токены, частное банковское обслуживание и, возможно, на все в мире.

Квантовые вычисления легко принять за более быструю версию обычного компьютера. Но это не более мощный чип или более крупная ферма серверов. Это принципиально другая машина, другая на уровне самого атома.

Квантовый компьютер начинается с очень холодной, очень маленькой металлической петли, где частицы начинают вести себя так, как они не ведут себя в нормальных условиях на Земле, и это меняет то, что мы считаем основными правилами физики.

Понимание того, что это означает с физической точки зрения, — это разница между чтением о квантовой угрозе и ее фактическим пониманием.

Как на самом деле работают компьютеры и квантовые компьютеры

Обычные компьютеры хранят информацию в виде битов — каждый из них равен либо 0, либо 1. Бит — это крошечный переключатель. Физически это транзистор на «чипе» — микроскопическом затворе, который либо пропускает электричество (1), либо нет (0).

Каждая фотография, каждая транзакция с биткойнами, каждое слово, которое вы когда-либо набирали, сохраняются как шаблоны включения или выключения этих переключателей. В бите нет ничего загадочного; это физический объект в одном из двух определенных состояний.

Каждый расчет просто очень быстро перетасовывает эти 0 и 1. Современный чип может выполнять миллиарды операций в секунду, но по-прежнему выполняет их по одному, последовательно.

Квантовые компьютеры вместо битов используют нечто, известное как кубиты. Кубит может быть равен 0, 1 или — и это самое странное — и то, и другое одновременно!

Это возможно, поскольку кубит — это совершенно другой физический объект. Самая распространенная версия, которую использует Google, представляет собой крошечную петлю из сверхпроводящего металла, охлажденную примерно до температуры 0,015 градуса выше абсолютного нуля, что холоднее, чем в космическом пространстве, но здесь, на Земле.

При этой температуре электричество протекает через петлю без какого-либо сопротивления, и говорят, что ток существует в квантовом состоянии.

В сверхпроводящем контуре ток может течь по часовой стрелке (назовем это 0) или против часовой стрелки (назовем это 1). Но в квантовых масштабах ток не обязательно выбирает одно направление и фактически течет в обоих направлениях одновременно.

Не путайте это с очень быстрым переключением между ними. Ток измеримо, экспериментально и проверяемо находится в обоих состояниях одновременно.

Умопомрачительная физика

С нами до сих пор? Отлично, потому что здесь это становится по-настоящему странным, потому что физика, лежащая в основе того, как это работает, не сразу интуитивно понятна, и так не должно быть.

Все, с чем человек взаимодействует в повседневной жизни, подчиняется классической физике, которая предполагает, что все находится в одном месте в одно время. Но частицы ведут себя иначе на субатомном уровне.

Электрон не имеет определенного положения, пока вы не посмотрите на него. Фотон не имеет определенной поляризации, пока вы ее не измерите. Ток в сверхпроводящей петле не течет в определенном направлении, пока вы не заставите его выбраться.

Причина, по которой мы не сталкиваемся с этим в повседневной жизни, — это декогерентность. Когда квантовая система взаимодействует со своим окружением, молекулами воздуха, теплом, вибрациями и светом, суперпозиция практически мгновенно разрушается.

Футбольный мяч не может находиться в двух местах одновременно, потому что каждую наносекунду он взаимодействует с триллионами молекул воздуха, пылью, звуком, теплом, гравитацией и т. д. Но изолируйте крошечный ток в вакууме, близком к абсолютному нулю, защитите его от всех возможных помех, и квантовое поведение сохранится достаточно долго, чтобы с ним можно было выполнять вычисления.

Вот почему квантовые компьютеры так сложно построить. Люди создают физическую среду, в которой законы физики, которые обычно предотвращают подобные вещи, сдерживаются на время, достаточное для проведения вычислений.

Машины Google работают в холодильниках для разбавления размером с огромную комнату, холоднее, чем что-либо в естественной вселенной, окруженных слоями защиты от электромагнитного шума, вибрации и теплового излучения.

И даже тогда кубиты хрупкие. Они постоянно теряют свое квантовое состояние, поэтому «коррекция ошибок» доминирует в каждом разговоре о масштабировании.

Таким образом, квантовые вычисления не являются более быстрой версией классических вычислений. Он использует другой набор физических законов, которые применимы только в чрезвычайно малых масштабах, при чрезвычайно низких температурах и чрезвычайно коротких промежутках времени.

Теперь сложите это.

Два обычных бита могут находиться в одном из четырех состояний (00, 01, 10, 11), но одновременно только по одному (поскольку ток течет только в одном направлении). Два кубита могут представлять все четыре состояния одновременно, поскольку ток течет во всех направлениях одновременно.

Три кубита представляют восемь состояний. Десять кубитов представляют собой 1024. Пятьдесят кубитов представляют собой более квадриллиона. Это число удваивается с каждым добавленным кубитом, поэтому масштабирование настолько экспоненциальное.

Второй трюк — это то, что называется запутыванием. Когда два кубита запутаны, измерение одного из них мгновенно сообщает об этом наблюдателю.