Дізнайтеся що таке квантовий блокчейн та яка перспектива співпраці між двома найбільш обіцяючими галуззями сучасних технологій – квантовими обчисленнями та блокчейном.
Що таке квантовий блокчейн – представлення поняття
Квантовий блокчейн – це термін, який використовується для опису інтеграції двох передових технологій, квантових обчислень і блокчейну. Квантові обчислення – це тип обчислень, який ґрунтується на принципах квантової механіки, що дозволяє здійснювати набагато потужнішу та ефективнішу обробку даних, ніж традиційні комп’ютери. З іншого боку, блокчейн – це децентралізована, захищена і прозора система реєстрів, яка дозволяє безпечно і ефективно зберігати і передавати дані.
Поєднуючи ці дві технології, квантовий блокчейн відкриває нову межу в світі технологій, яка може докорінно змінити наше уявлення про безпеку, конфіденційність і передачу даних.
Завдяки квантовим обчисленням складні алгоритми і математичні задачі можна вирішувати за малу частку часу, в порівнянні з тим, який би знадобився традиційному комп’ютеру. Це дозволяє створювати більш безпечні та ефективні блокчейни, які можуть обробляти більші обсяги даних, а також покращує конфіденційність, дозволяючи здійснювати більш безпечні та анонімні транзакції
Квантовий блокчейн – на стику 2х галузей
Коли мова заходить про майбутнє комп’ютерних технологій, блокчейн і квантові обчислення є двома найбільш захоплюючими і суперечливими галузями. У той час як блокчейн набагато більш просунутий у своєму практичному застосуванні – включаючи створення криптовалюти і криптографії, які можуть використовуватися приватними особами і підприємствами, – індустрія квантових обчислень також зростає з шаленою швидкістю.
Що таке блокчейн технологія: це не лише про криптовалюту
Фактично, квантові обчислення, мабуть, поступаються лише блокчейну за темпами зростання галузі, і очікується, що з 2022 по 2027 рік галузь зростатиме на 25% на рік.
Деякі експерти вважають, що досягнення в галузі квантових обчислень можуть стати початком кінця для блокчейну, оскільки квантові комп’ютери можуть зламати шифрування навіть найсучасніших блокчейнів. З іншого боку, квантові комп’ютери можуть замінити блокчейн як ще більш досконалий метод захисту даних у майбутньому.
У певному сенсі, блокчейн-шифрування і квантові обчислення змагаються за перемогу в криптографічних перегонах. Основне питання, мабуть, полягає в тому, чи зможуть квантові комп’ютери розвиватися досить швидко, щоб зламати блокчейн. Відповідь буде визначатися тим, чи зможуть криптографи розробити рішення з безпеки досить швидко, щоб захиститися від квантового злому.
Однак відносини між квантовими обчисленнями і блокчейном не обов’язково можуть бути ворожими; деякі дослідники вважають, що квантові обчислення і технологія блокчейн в кінцевому підсумку об’єднаються. Це може призвести до створення більш безпечних, швидких і потенційно революційних обчислювальних рішень, які в кінцевому підсумку допоможуть вирішити цілий ряд криптографічних і реальних проблем.
Що таке квантові обчислення і чим вони відрізняються від блокчейну?
Для тих, хто не знайомий з темою, квантові обчислення – це унікальний тип обчислень, який використовує “квантові стани” для вирішення логічних задач, які потребують або неймовірної кількості обчислювальної потужності, або практично неможливі для вирішення звичайними суперкомп’ютерами.
Замість того, щоб аналізувати набір проблем одну за одною, як це робить традиційний суперкомп’ютер, квантові комп’ютери можуть аналізувати величезну кількість потенційних проблем і відповідей одночасно.
Ці комп’ютери використовують можливості квантової фізики, щоб неймовірно швидко мінімізувати кількість потенційних неправильних відповідей, одночасно відточуючи потенційно правильні відповіді з неймовірною швидкістю.
Сучасні комп’ютери, які часто називають класичними, складаються з бітів, що містять або 1, або 0, але не обидва. Замість бітів квантові комп’ютери складаються з q-біт, що завдяки концепції, яка називається квантовою суперпозицією, дозволяє цим бітам одночасно існувати в обох станах одночасно.
Крім того, на відміну від традиційних бітів, qбіти можуть впливати один на одного в процесі, який називається квантовою заплутаністю, що створює один великий квантовий стан для всієї обчислювальної системи.
Кожного разу, коли додається q-біт, кількість потенційних станів комп’ютера подвоюється, що надає цим комп’ютерам величезні обчислювальні можливості порівняно з класичними комп’ютерами.
Крім вирішення надскладних завдань, квантові обчислення також мають неймовірний потенціал для зміни світу шифрування. Через природу квантової фізики та квантових станів, стан конкретного фрагменту інформації фактично змінюється, коли його спостерігають.
Тому, теоретично, квантове шифрування може бути справді незламним, оскільки стан будь-якого фрагменту інформації буде безповоротно змінено, якщо його перегляне хтось інший (або будь-яка машина), окрім тієї сторони, якій він призначений.
Однак, подібно до того, як квантові обчислення можуть створювати потужні технології шифрування, вони також можуть потенційно зламати раніше незламні форми шифрування, що ставить їх у потенційний конфлікт із самою метою блокчейнів.
Такі компанії, як IBM, наразі використовують квантові комп’ютери для вирішення таких різноманітних проблем, як розробка акумуляторів з більшою щільністю енергії для електромобілів, розробка нових матеріалів, які можуть бути створені з меншою кількістю викидів вуглецю, і навіть пошук частинок, які можуть пролити світло на походження Всесвіту.
Що таке квантові комп’ютери? Скоро вони будуть у вас?
На відміну від квантових обчислень, блокчейн можна описати як набір технологій розподіленого реєстру, які використовують криптографію для створення реєстру інформації, що не може бути ефективно змінена після того, як вона буде підтверджена низкою розподілених комп’ютерів, які називаються вузлами.
Використовуючи різні механізми консенсусу, розподілена мережа вузлів погоджується або не погоджується “підтверджувати” блоки інформації, додаючи їх до блокчейну. Блокчейн повністю належить до сфери класичних обчислень, що означає, що блокчейн перебуває лише в одному стані в один момент часу.
Як показала практика, технологія блокчейн є фантастичним інструментом для створення розподілених додатків за допомогою смарт-контрактів, що самостійно виконуються, включаючи цифрові валюти, протоколи логістики та обліку, а також різні фінансові продукти. До них відносяться кредитування, стейкінг, фермерство і навіть розподілені страхові протоколи.
Однак через мережеві обмеження блокчейн не завжди добре вирішує проблеми, які вимагають високого рівня обчислювальних можливостей. Насправді, низька швидкість транзакцій є однією з найбільших проблем блокчейну сьогодні, і нові блокчейни намагаються запропонувати рішення, які можуть працювати з більшою кількістю транзакцій в секунду (TPS).
На противагу цьому, квантові обчислення мають великий потенціал для вирішення деяких великих і складних проблем, з якими стикаються наука і технології, але вони не обов’язково є хорошим інструментом для створення споживчих додатків, якими користуються повсякденні люди.
Тому можна сміливо сказати, що квантові обчислення та блокчейн – це дві дуже різні технології, але те, як вони взаємодіють, може назавжди змінити обидві галузі.
Чи зруйнує квантові обчислення блокчейн і покладе край криптовалютам?
Коли мова заходить про квантові обчислення і блокчейн та що таке квантовий блокчейн, одне з головних побоювань полягає в тому, що квантові комп’ютери можуть подолати шифрування блокчейну – що призведе до кінця безпечної криптовалюти, якою ми її знаємо. Якщо квантове шифрування зможе подолати криптографію блокчейну, це може призвести до масових крадіжок криптовалют і серйозних збоїв, якщо не колапсу, для всієї криптоіндустрії.
Дослідження Deloitte показало, що 25% біткоїнів може бути викрадено за одну атаку. Станом на січень 2022 року це становитиме приблизно 300 мільярдів доларів, а оскільки розмір ринку криптовалют продовжує стрімко зростати, криптозлом на основі квантового комп’ютера може призвести до викрадення трильйонів доларів, потенційно зануривши світову економіку в хаос і знищивши цілі блокчейни в процесі цього.
Зокрема, відомий теоретичний комп’ютерний алгоритм під назвою функція Шора, якщо його реалізувати на квантовому комп’ютері, теоретично може обчислити прості множники, які наразі приховані множенням за еліптичною кривою. Це форма множення, що використовується для хешування, яку (наразі) майже неможливо повернути назад (тобто виявити вихідні числа, які були перемножені разом для формування приватного ключа).
Наприклад, дослідники підрахували, що класичному комп’ютеру знадобиться 340 282 366 920 938 463 463 374 607 431 768 211 456 базових операцій, щоб визначити приватний ключ, пов’язаний з відкритим ключем, використовуючи множення за еліптичною кривою. Теоретично, це може зайняти тисячі років.
На противагу цьому, згідно з тими ж розрахунками, квантовому комп’ютеру, що використовує функцію Шора, знадобиться лише 2 097 152 базові операції для визначення приватного ключа, пов’язаного з відкритим ключем. Це, навпаки, може зайняти лише кілька годин. Однак важливо розуміти, що сучасні квантові комп’ютери поки що не мають можливості використовувати функцію Шора, і неясно, коли саме ця функція буде повністю розроблена.
Окрім зламу шифрування блокчейну, ще однією проблемою є те, що квантові комп’ютери можуть замінити традиційні комп’ютери для майнінгу криптовалют. Якщо ці комп’ютери, як передбачається в теорії, зможуть майнити експоненціально швидше, ніж традиційне майнінгове обладнання, таке як ASIC, це може призвести до нестабільних цін на активи, 51% атак і надзвичайної централізації майнінгових потужностей.
Слід зазначити, однак, що це в основному стосується блокчейнів з доказом роботи, таких як біткоін, і, в цілому, навряд чи вплине на моделі консенсусу, засновані на доказі частки. Через екологічні проблеми та інші фактори більшість блокчейнів з підтвердженням виконання робіт, таких як Ethereum, рухаються в бік моделей консенсусу з підтвердженням частки та інших моделей, які не передбачають обчислювально інтенсивного майнінгу.
Незважаючи на ці розрахунки та оцінки, не всі експерти вважають, що квантові обчислення зможуть ефективно зламати блокчейн і зробити традиційну криптографію застарілою. Наприклад, дехто вважає, що шифрування SHA-256, яке використовується в біткоїні, може бути квантово-стійким.
Навіть якщо квантові комп’ютери зможуть зламати поточні методи шифрування блокчейну, це може зайняти 10-20 років, що дасть криптографам блокчейну сильну фору для розробки нових і більш потужних методів шифрування.
Крім того, шифрування RSA, найпоширеніша альтернатива криптографії еліптичних кривих, також може бути дещо квантово-стійким. Хоча криптографія еліптичних кривих вважається більш безпечною, ніж шифрування RSA, коли мова йде про традиційне дешифрування, експерти припускають, що зворотне може бути вірним, коли мова йде про квантове дешифрування.
Крім того, навіть якщо RSA виявиться “квантово зламаним”, софтфорки та постійна зміна адрес гаманців можуть зменшити практичну можливість квантових комп’ютерів зламати блокчейн або викрасти криптовалюту.
Чи можуть квантові обчислення злитися з майбутніми блокчейнами або покращити їх?
Дехто вважає, що квантові обчислення можуть знищити блокчейн і криптовалюту в тому вигляді, в якому ми їх знаємо, інші вважають, що квантове шифрування може об’єднатися з блокчейном і створити блокчейн, який буде експоненціально безпечнішим, ніж сучасні протоколи.
Ми знову підійшли до нашого основного питання – що таке квантовий блокчейн. Теоретично, такі блокчейни будуть дуже стійкими як до традиційних хакерських атак, так і до атак квантових комп’ютерів.
Зокрема, експерти вважають, що традиційні методи криптографії блокчейнів, такі як алгоритми з асиметричним ключем і хеш-функції, що використовують вищезгадане множення за еліптичною кривою, можуть бути замінені квантовими ключами.
Криптографія з квантовим ключем, також відома як квантовий розподіл ключів (QKD), працює шляхом надсилання “квантових частинок” світла у вигляді фотонів через оптичне з’єднання. Як ми вже згадували раніше, будь-яка спроба підслуховувача переглянути фотони, що передаються, фактично скасовує транзакцію перевірки.
Для того, щоб бути практично ефективними, ці квантові ключі повинні використовуватися з шифруванням One-Time Pad (OTP), яке генерує ключі, що можуть бути використані лише один раз.
Як квантові комп’ютери допоможуть подорожувати часом
Одна захоплююча стаття, опублікована в “Журналі квантових обчислень” під назвою “Квантовий блокчейн: Децентралізована, зашифрована і розподілена база даних, заснована на квантовій механіці” (Chuntang Li, Yinsong Xu, Jiahao Tang, Wenjie Liu) детально описує, як використання квантових обчислень для майбутніх блокчейнів може також забезпечити інші переваги, зокрема, для рандомізації вибору вузлів, що наразі є головною проблемою в блокчейні.
Замість того, щоб використовувати поточні методи рандомізації, протокол квантового блокчейну може використовувати квантовий генератор випадкових чисел для вибору випадково обраного вузла-верифікатора.
У статті стверджується, що квантові блокчейни також мають потенціал для заміни класичного протоколу візантійської угоди новим типом протоколу квантово-візантійської угоди, який буде використовувати квантове шифрування. Хоча на даний момент це дуже теоретично, це може допомогти запобігти 51% атак і призвести до створення нових і високозахищених криптовалют, заснованих на квантовому шифруванні.
Хоча більшість з вищесказаного стосується створення нових квантових блокчейнів, також можливо, що квантова технологія може бути застосована до існуючих блокчейнів, що може як підвищити децентралізацію, так і потенційно зменшити час транзакцій для основних блокчейнів, таких як Bitcoin, Ethereum і Solana.
Одна з потенційних проблем, яка є вкрай незрозумілою і не висвітлена в згаданій статті, полягає в тому, як функції квантових обчислень, включаючи генерацію квантових ключів, розподілятимуться через операторів вузлів.
В даний час більшість квантових комп’ютерів є дуже експериментальними і надзвичайно дорогими, а це означає, що може бути важко досягти великої кількості операторів вузлів, необхідних для дійсно децентралізованого блокчейну. Однак це може змінитися: одна компанія в Китаї представила невеликий квантовий комп’ютер, який коштує всього $5,000, що набагато менше, ніж зараз потрібно для запуску повноцінної ноди Ethereum.
Що таке квантово-стійкий реєстр?
Наразі лише два публічних блокчейн-проекти заявили про свою повну квантову стійкість: Quantum Resistant Ledger і Bitcoin Post Quantum. Квантово-стійкий реєстр (QRL) називає себе “пост-квантовим захищеним блокчейном, що має схему підпису з урахуванням стану та неперевершену безпеку”.
Для цього протокол QRL використовує “визначену IETF XMSS, схему прямого безпечного підпису на основі хешу з мінімальними припущеннями щодо безпеки”. XMSS – це розширена схема підпису Меркла, яка використовує дерева Меркла. Це дерева, в яких кожен вузол позначений криптографічним хешем блоку даних.
Дерево Меркла можна визначити як “повний хеш всіх хешів всіх транзакцій в одному блоці в існуючій мережі блокчейн”.
Вважається, що схеми хешування на основі стану, такі як підписи Меркла, набагато стійкіші до квантового злому, ніж криптографія RSA або еліптичної кривої. Однак, схеми хешування на основі стану, такі як XMSS, можуть бути вразливими, якщо ключ використовується більше одного разу, що ставить їх у невигідне становище порівняно з іншими формами криптографії.
Наразі Ресурсний центр комп’ютерної безпеки Національної лабораторії інформаційних технологій (NIST) активно шукає дослідження та коментарі щодо цих криптографічних технологій, щоб оцінити їхні потенційні сильні та слабкі сторони як для цивільного, так і для урядового використання. На додаток до XMSS, NIST наразі оцінює майже 70 нових методів “пост-квантової криптографії”.
Quantum Resistant Ledger стверджує, що його “розширена” схема підпису Меркла є ефективнішою і безпечнішою, ніж традиційні схеми підпису Меркла, хоча це важко довести без справді ефективного квантового комп’ютера, який міг би її протестувати.
Окрім розробки власного блокчейну, група випустила власну криптовалюту (QRL), яка станом на січень 2022 року мала ціну менше $0,20 і загальну ринкову капіталізацію трохи більше $14 мільйонів. Як і блокчейн, на якому вона базується, творці QRL стверджують, що сама криптовалюта також є першою валютою, яка повністю захищена від квантового злому. Як і інші криптовалюти, QRL можна майнити як з окремого вузла, так і в рамках участі в майнінг-пулі.
Що таке Bitcoin Post Quantum?
На додаток до дещо популярного проекту QRL, інший блокчейн-проект, Bitcoin Post Quantum, також претендує на використання розширеної схеми підпису Меркла (XMSS), що базується на хешуванні, для захисту від атак квантових обчислень.
Зокрема, BPQ – це експериментальна гілка основного блокчейну Біткоїна, яка використовує квантово-безпечні цифрові підписи замість більш традиційних методів шифрування. У майбутньому дослідження, проведені в рамках BPQ, можуть стати основою для впровадження квантово-стійкої криптографії в основну мережу Біткоїна.
На відміну від QRL, BPQ наразі перебуває на стадії досліджень, а запланована ним валюта BitcoinPQ наразі не видобувається.
Що таке квантовий блокчейн в плані перспективи?
Майбутнє квантових обчислень і блокчейну вкрай невизначене – і може стати одним з визначальних факторів майбутнього інформатики. Блокчейн допоміг демократизувати інтернет, створити криптовалюти і породив найбільші в світі розподілені комп’ютерні мережі у вигляді популярних блокчейнів, таких як Bitcoin і Ethereum.
На противагу цьому, квантові обчислення, які все ще перебувають на ранніх стадіях, мають потенціал допомогти вирішити багато з найбільш важливих наукових і технологічних питань нашого часу, розвиваючи технології у спосіб, який ми поки що не можемо передбачити.
Якщо квантові обчислення і блокчейн зіткнуться, це може стати катастрофою епічних масштабів. Однак, якщо криптографія продовжить розвиватися, створюючи все більш квантово-стійкі методи шифрування, або якщо саме квантове шифрування буде інтегровано в блокчейн, поєднання цих багатообіцяючих технологій може допомогти створити більш безпечний, демократичний інтернет з більшим потенціалом для позитивного впливу на світ навколо нас.
Джерело: https://supraoracles.com/
