چرا فیزیک خیره‌کننده محاسبات کوانتومی برای بیت کوین و ارزهای دیجیتال وحشتناک است

این هفته، گوگل مقاله‌ای منتشر کرد که توضیح می‌دهد چگونه یک رایانه کوانتومی می‌تواند از نظر تئوری یک کلید خصوصی ارز دیجیتال بیت کوین را در 9 دقیقه استخراج کند، با پیامدهایی که به اتریوم، توکن‌های دیگر، بانکداری خصوصی و به طور بالقوه همه چیز در جهان گسترش می‌یابد.

رایانش کوانتومی به راحتی می‌تواند با یک نسخه سریع‌تر از رایانه معمولی اشتباه گرفته شود. اما این یک تراشه قدرتمندتر یا یک مزرعه سرور بزرگتر نیست. این نوع ماشینی کاملاً متفاوت است، متفاوت در سطح خود اتم.

یک رایانه کوانتومی با یک حلقه بسیار سرد و بسیار کوچک از فلز شروع می‌شود که در آن ذرات شروع به رفتاری می‌کنند که در شرایط عادی روی زمین رفتار نمی‌کنند، روش‌هایی که آنچه را که ما به عنوان قوانین اساسی فیزیک می‌دانیم تغییر می‌دهند.

درک اینکه این به معنای چیست، از نظر فیزیکی، تفاوت بین خواندن در مورد تهدید کوانتومی و واقعاً درک آن است.

چگونه رایانه‌ها و رایانه‌های کوانتومی واقعاً کار می‌کنند

رایانه‌های معمولی اطلاعات را به صورت بیت‌ها ذخیره می‌کنند - هر کدام یا 0 یا 1 است. یک بیت یک سوئیچ کوچک است. از نظر فیزیکی، این یک ترانزیستور روی یک "تراشه" است - یک دروازه میکروسکوپی که یا اجازه عبور برق را می‌دهد (1) یا نمی‌دهد (0).

هر عکس، هر تراکنش ارز دیجیتال بیت کوین، هر کلمه‌ای که تا به حال تایپ کرده‌اید به عنوان الگوهایی از این سوئیچ‌ها که روشن یا خاموش هستند ذخیره می‌شود. هیچ چیز اسرارآمیزی در مورد یک بیت وجود ندارد؛ این یک شیء فیزیکی در یکی از دو حالت مشخص است.

هر محاسبه فقط جابجایی این 0ها و 1ها در اطراف واقعاً سریع است. یک تراشه مدرن می‌تواند میلیاردها مورد از این کارها را در ثانیه انجام دهد، اما هنوز آنها را یکی یکی، به ترتیب انجام می‌دهد.

رایانه‌های کوانتومی از چیزی به نام کیوبیت به جای بیت استفاده می‌کنند. یک کیوبیت می‌تواند 0، 1 یا - و این قسمت عجیب است - هر دو در همان زمان باشد!

این امکان‌پذیر است زیرا یک کیوبیت نوع کاملاً متفاوتی از شیء فیزیکی است. رایج‌ترین نسخه، و نسخه‌ای که گوگل استفاده می‌کند، یک حلقه کوچک از فلز ابررسانا است که تا حدود 0.015 درجه بالای صفر مطلق سرد شده است، سردتر از فضای بیرونی اما اینجا روی زمین.

در آن دما، برق بدون هیچ مقاومتی از حلقه عبور می‌کند و گفته می‌شود که جریان در یک حالت کوانتومی وجود دارد.

در حلقه ابررسانا، جریان می‌تواند در جهت عقربه‌های ساعت جریان یابد (بگویید آن 0) یا در خلاف جهت عقربه‌های ساعت (بگویید آن 1). اما در مقیاس‌های کوانتومی، جریان مجبور نیست یک جهت را انتخاب کند و در واقع به طور همزمان در هر دو جهت جریان می‌یابد.

آن را با جابجایی بین این دو واقعاً سریع اشتباه نگیرید. جریان به طور قابل اندازه‌گیری، تجربی و قابل تأیید به طور همزمان در هر دو حالت است.

فیزیک خارق‌العاده

تا اینجا با ما هستید؟ عالی است، زیرا اینجا جایی است که واقعاً عجیب می‌شود، زیرا فیزیک پشت نحوه کار آن بلافاصله شهودی نیست و قرار نیست باشد.

همه چیزهایی که کسی با آنها در زندگی روزمره تعامل دارد از فیزیک کلاسیک پیروی می‌کنند، که فرض می‌کند چیزها در یک مکان در یک زمان هستند. اما ذرات در مقیاس زیر اتمی به این شکل رفتار نمی‌کنند.

یک الکترون تا زمانی که به آن نگاه نکنید موقعیت مشخصی ندارد. یک فوتون تا زمانی که آن را اندازه‌گیری نکنید قطبش مشخصی ندارد. یک جریان در یک حلقه ابررسانا در جهت مشخصی جریان نمی‌یابد تا زمانی که آن را مجبور به انتخاب کنید.

دلیل اینکه ما این را در زندگی روزمره تجربه نمی‌کنیم عدم انسجام است. وقتی یک سیستم کوانتومی با محیط خود، مولکول‌های هوا، گرما، ارتعاشات و نور تعامل می‌کند، برهم‌نهی تقریباً بلافاصله فرو می‌ریزد.

یک توپ فوتبال نمی‌تواند به طور همزمان در دو مکان باشد زیرا با تریلیون‌ها مولکول هوا، گرد و غبار، صدا، گرما، جاذبه و غیره، در هر نانوثانیه در حال تعامل است. اما یک جریان کوچک را در یک خلاء نزدیک به صفر مطلق جدا کنید، آن را از هر اختلال ممکن محافظت کنید، و رفتار کوانتومی به اندازه کافی زنده می‌ماند تا با آن محاسبه کنید.

به همین دلیل است که ساخت رایانه‌های کوانتومی بسیار سخت است. مردم در حال مهندسی محیط‌های فیزیکی هستند که در آن قوانین فیزیکی که معمولاً مانع از وقوع این چیزها می‌شوند، فقط به اندازه کافی برای اجرای یک محاسبه در خلیج نگه داشته می‌شوند.

ماشین‌های گوگل در یخچال‌های رقیق‌سازی به اندازه اتاق‌های بزرگ کار می‌کنند، سردتر از هر چیزی در جهان طبیعی، احاطه شده توسط لایه‌هایی از محافظت در برابر نویز الکترومغناطیسی، ارتعاش و تابش حرارتی.

و کیوبیت‌ها حتی در آن صورت شکننده هستند. آنها به طور مداوم حالت کوانتومی خود را از دست می‌دهند، به همین دلیل است که "تصحیح خطا" بر هر گفتگو در مورد مقیاس‌بندی تسلط دارد.

بنابراین رایانش کوانتومی یک نسخه سریع‌تر از رایانش کلاسیک نیست. این بهره‌برداری از مجموعه متفاوتی از قوانین فیزیکی است که فقط در مقیاس‌های بسیار کوچک، دماهای بسیار پایین و بازه‌های زمانی بسیار کوتاه اعمال می‌شوند.

حالا آن را روی هم بگذارید.

دو بیت معمولی می‌توانند در یکی از چهار حالت (00، 01، 10، 11) باشند، اما فقط یکی در یک زمان (زیرا جریان فقط در یک جهت جریان دارد). دو کیوبیت می‌توانند همه چهار حالت را به طور همزمان نشان دهند، زیرا جریان در همان زمان در تمام جهات جریان دارد.

سه کیوبیت هشت حالت را نشان می‌دهند. ده کیوبیت 1,024 را نشان می‌دهند. پنجاه کیوبیت بیش از یک کوادریلیون را نشان می‌دهند. این عدد با هر کیوبیتی که اضافه می‌شود دو برابر می‌شود، به همین دلیل است که مقیاس‌بندی بسیار نمایی است.

ترفند دوم چیزی است به نام درهم‌تنیدگی. وقتی دو کیوبیت درهم تنیده می‌شوند، اندازه‌گیری یکی بلافاصله به ناظر چیزی در مورد دیگری می‌گوید، صرف نظر از اینکه چقدر از هم دور باشند. این به یک رایانه کوانتومی اجازه می‌دهد در تمام آن حالت‌های همزمان هماهنگ کند به روشی که رایانش موازی معمولی نمی‌تواند.

و این رایانه‌های کوانتومی به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که پاسخ‌های اشتباه یکدیگر را لغو می‌کنند (مانند امواج همپوشانی که صاف می‌شوند) و پاسخ‌های درست یکدیگر را تقویت می‌کنند (مانند امواجی که بالاتر انباشته می‌شوند). تا پایان محاسبه، پاسخ صحیح بالاترین احتمال اندازه‌گیری را دارد.

بنابراین این سرعت زور نیست. این یک رویکرد اساساً متفاوت برای محاسبه است - رویکردی که به طبیعت اجازه می‌دهد یک فضای نمایی بزرگ از احتمالات را کاوش کند و سپس از طریق فیزیک به جای منطق به پاسخ درست فرو ریزد.

یک تهدید یادبودی برای رمزنگاری

این فیزیک خارق‌العاده دلیل این است که برای رمزگذاری وحشتناک است.

ریاضیات محافظت از ارز دیجیتال بیت کوین بر این فرض متکی است که بررسی هر کلید ممکن بیشتر از سن جهان طول می‌کشد.

اما یک رایانه کوانتومی هر کلید را بررسی نمی‌کند. همه آنها را به طور همزمان کاوش می‌کند و از تداخل برای نمایش کلید درست استفاده می‌کند.

اینجاست که به ارز دیجیتال بیت کوین مرتبط می‌شود. رفتن به یک جهت، از کلید خصوصی به کلید عمومی، میلی‌ثانیه طول می‌کشد. رفتن به جهت دیگر، از کلید عمومی به کلید خصوصی، یک میلیون سال برای یک رایانه کلاسیک طول می‌کشد، یا حتی طولانی‌تر از سن جهان. آن عدم تقارن تنها چیزی است که ثابت می‌کند یک شخص سکه‌های خود را نگه داشته است.

یک رایانه کوانتومی که الگوریتمی به نام شور را اجرا می‌کند می‌تواند از طریق آن درب تله به طور معکوس عبور کند. مقاله گوگل این هفته نشان داد که می‌تواند این کار را با منابع بسیار کمتر از آنچه که هر کسی قبلاً تخمین زده بود انجام دهد، و در بازه زمانی که با تاییدیه های بلاک خود ارز دیجیتال بیت کوین مسابقه می‌دهد.

به همین دلیل است که تهدید رایانه‌های کوانتومی شکستن رمزگذاری بلاک چین واقعاً همه را بسیار نگران می‌کند.

اینکه این حمله چگونه گام به گام کار می‌کند، مقاله گوگل به طور خاص چه چیزی را تغییر داد، و این برای 6.9 میلیون ارز دیجیتال بیت کوین که قبلاً در معرض دید قرار گرفته‌اند چه معنایی دارد، موضوع قسمت بعدی در این سری است.