Jeśli komputery kwantowe zagrażają łańcuchom bloków, kwantowe łańcuchy bloków mogą być obroną

Blockchain to matematyczna struktura, która bezpiecznie przechowuje dane w czasie. Pomysł zyskał sławę dzięki boomowi Bitcoin. Bitcoin opiera się na łańcuchach bloków, aby bezpiecznie przechowywać powiązane transakcje walutowe.

Ale ta sama technologia może przechowywać wszelkiego rodzaju dane — dane wysyłkowe, postęp programów komputerowych, inteligentne kontrakty i tak dalej. Rzeczywiście, wydaje się, że blockchainy staną się jedną z technologii prorozwojowych XXI wieku.

A jednak mają piętę achillesową. Bezpieczeństwo łańcucha bloków gwarantują standardowe funkcje kryptograficzne. Są one stosunkowo bezpieczne, ponieważ ich złamanie wymaga ogromnych zasobów obliczeniowych, które nie są ogólnie dostępne.

Wygląda na to, że zmieni się to wraz z pojawieniem się potężnych komputerów kwantowych. Złamanie tego rodzaju ochrony kryptograficznej przez takie urządzenia będzie dziecinnie proste. Ale komputery kwantowe nie mogą łamać kwantowych kodów kryptograficznych, więc różne grupy sugerowały dodanie kryptografii kwantowej do łańcuchów bloków, aby zagwarantować ich bezpieczeństwo.

Istnieje lepsze, bardziej fundamentalne rozwiązanie, twierdzą Del Rajan i Matt Visser z Victoria University of Wellington w Nowej Zelandii. Kryptografia kwantowa jedynie dodaje warstwę kwantową do standardowego protokołu blockchain. Zamiast tego sugerują, aby cały łańcuch bloków stał się fenomenem kwantowym.

Ich pomysł polega na stworzeniu łańcucha bloków przy użyciu cząstek kwantowych uwikłanych w czasie. To pozwoliłoby jednej cząstce kwantowej zakodować historię wszystkich jej poprzedników w sposób, którego nie da się zhakować bez jej zniszczenia. Taki protokół opiera się na prawach fizyki, aby zagwarantować bezpieczeństwo. Jednak prowadzi to również do nietypowych skutków ubocznych. Ten zdecentralizowany kwantowy łańcuch bloków można postrzegać jako kwantową maszynę czasu w sieci, mówią Rajan i Visser.

Najpierw trochę tła. Blockchain to po prostu księga rachunkowa, która rejestruje informacje określonego typu — na przykład transakcje walutowe. Transakcje są stale dodawane do bazy danych zwanej blokiem, ale pod koniec określonego okresu blok jest szyfrowany za pomocą urządzenia matematycznego zwanego funkcją mieszającą. Daje to unikalny numer, którego można użyć do dokładnego przedstawienia danych.

Ten unikalny numer jest następnie dołączany do następnego bloku z kolejnym zestawem transakcji. Po pewnym czasie wszystko zostaje zaszyfrowane za pomocą funkcji haszującej w celu wygenerowania nowego unikalnego numeru. To jest dodawane do następnego bloku. I tak dalej, tworząc łańcuch bloków, które są zagnieżdżone w najnowszym — stąd nazwa blockchain.

Każdy, kto próbowałby sfałszować zapis historyczny, musiałby znaleźć sposób na zmianę danych w sposób, który nie zmienia wyniku funkcji haszującej. A to jest tak trudne obliczeniowo, że jest uważane za niemożliwe w przypadku klasycznego komputera. Ale jest to możliwe dzięki komputerom kwantowym, które wkrótce będą dostępne.

Dlatego Rajan i Visser opracowali inne podejście, które opiera się na w pełni kwantowej wersji łańcucha bloków. Zjawisko leżące u podstaw ich podejścia nazywa się uwikłaniem. Kiedy dwie cząstki kwantowe są splątane, dzielą to samo istnienie. Dzieje się tak, gdy wchodzą w interakcję w tym samym punkcie przestrzeni i czasu. Po tym pomiar na jednym natychmiast wpływa na drugi, bez względu na to, jak daleko mogą się one znajdować.

To, co gwarantuje bezpieczeństwo, to to, że uwikłanie jest niezwykle kruche. Pomiar jednej z par splątanych cząstek natychmiast niszczy połączenie. Więc jeśli złośliwy użytkownik spróbuje ingerować w jedną z par, jest to natychmiast oczywiste dla drugiej.

Tak jak cząstki mogą zaplątać się w przestrzeni, tak też z czasem mogą się zaplątać. Zatem cząsteczka istniejąca w teraźniejszości może zostać splątana z tą, która istniała w przeszłości. A pomiar na nim od razu wpływa na jego poprzednika.

Prowadzi to do pewnych subtelnych i sprzecznych z intuicją zjawisk. Na przykład istnieje specjalny sens kwantowy, w którym można wpływać na przeszłość. Oczywiście istnieją ścisłe ograniczenia tego, co to umożliwia. Nie można na przykład uruchomić serii wydarzeń, które zabiją twoich dziadków, zapewniając w ten sposób, że nigdy nie istniałeś. Tego rodzaju paradoks jest niedopuszczalny.

Ale coraz trudniej jest odróżnić przyczynę od skutku. Innym efektem jest to, że możliwe staje się zwiększenie ilości informacji, które mogą być przesyłane w czasie.

To właśnie ten rodzaj uwikłania czasowego wykorzystują Rajan i Visser do stworzenia kwantowego łańcucha bloków. Podstawową ideą jest zakodowanie danych na cząstce kwantowej. To staje się pierwszym blokiem kwantowym.

Gdy dostępnych jest więcej danych, są one łączone z danymi z pierwszej cząstki w operacji kwantowej, która splątuje ją z drugą cząstką. Ten pierwszy jest następnie odrzucany, a zapis pierwszego bloku transakcji jest łączony z drugim blokiem. Dane z trzeciego bloku można dodać w ten sam sposób, tworząc łańcuch.

Ten łańcuch jest bezpieczny, ponieważ każdy, kto próbuje go manipulować, natychmiast go unieważnia. To jest zaleta splątania kwantowego.

Ten kwantowy łańcuch bloków ma jeszcze jedną zaletę: wcześniejsze bloki są całkowicie odporne na manipulacje. Atakujący nie może nawet próbować uzyskać dostępu do poprzednich fotonów, ponieważ one już nie istnieją, mówią Rajan i Visser. Uwikłanie w czasie zapewnia znacznie większe korzyści w zakresie bezpieczeństwa niż uwikłanie w przestrzeni.

Co więcej, większość technologii do wykonania tej pracy już istnieje, przynajmniej w formie „proof-of-principle”. Jak twierdzą Rajan i Visser, wykazano, że wszystkie podsystemy tego projektu zostały zrealizowane eksperymentalnie.

To interesująca praca, która prawdopodobnie stanie się bardziej istotna, gdy zaczną się pojawiać potężne komputery kwantowe. IBM ma już 50-kubitowy komputer kwantowy, a mocniejsze maszyny są w przygotowaniu. To tylko kwestia czasu, zanim będą w stanie podważyć zaufanie do blockchainów.

Jednak kluczowa część infrastruktury niezbędnej do działania tego rodzaju kwantowego łańcucha bloków nie jest jeszcze dostępna: sieć kwantowa. Jest to sieć, która może przesyłać informacje kwantowe za pośrednictwem routerów kwantowych bez niszczenia swoich właściwości kwantowych. Tego rodzaju system jest obecnie projektowany i oczekuje się, że zostanie wprowadzony w Europie, Stanach Zjednoczonych i Chinach w nadchodzących miesiącach lub latach.

Rzeczywiście, praca polegająca na zbudowaniu takiego systemu jest zasadniczo zadaniem inżynierskim, a nie fundamentalnym zadaniem fizyki. Więc to tylko kwestia czasu, zanim powstanie kwantowy łańcuch bloków. Czy to ten protokół okaże się najlepszy, to oczywiście inna kwestia.

Być może Rajan i Visser mogliby dobrze wykorzystać swój kwantowy wehikuł czasu, dowiadując się, jaka technologia ostatecznie triumfuje w przyszłości!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1804.05979 : Quantum Blockchain wykorzystujący splątanie w czasie

ukryć