Deze week heeft Google een paper gepresenteerd waarin wordt uiteengezet hoe een kwantumcomputer theoretisch binnen negen minuten een bitcoin privé-sleutel zou kunnen afleiden. Dit heeft niet alleen gevolgen voor bitcoin, maar ook voor Ethereum, andere tokens, particuliere banken en mogelijk zelfs de gehele wereld.
Kwantumcomputing is niet te vergelijken met een snellere versie van een reguliere computer. Het gaat niet om een krachtiger chip of een grotere serverfarm; het betreft een fundamenteel ander soort machine die op atomair niveau verschilt.
Een kwantumcomputer begint met een zeer koude, kleine lus van metaal, waar deeltjes zich op manieren gedragen die onder normale omstandigheden op aarde onbekend zijn, en die onze interpretatie van de basisregels van de fysica enigszins verstoren. Het doorgronden van wat dit fysiek betekent, vormt het verschil tussen het lezen over de kwantumdreiging en het daadwerkelijk begrijpen ervan.
Reguliere computers slaan informatie op als bits, waarin elk bit ofwel 0 of 1 is. Een bit fungeert als een uiterst klein schakelaartje, dat fysiek gezien een transistor op een chip is — microscopische poorten die elektriciteit ofwel doorlaten (1) of niet (0). Iedere foto, elke bitcoin-transactie, iedere letter die je ooit hebt getypt, wordt opgeslagen als patronen van deze schakelaartjes die aan of uit staan. Er is niets mysterieus aan een bit; het is een fysiek object in één van de twee duidelijke staten.
Elke berekening bestaat simpelweg uit het razendsnel herschikken van deze 0’s en 1’s. Een moderne chip kan miljarden berekeningen per seconde uitvoeren, maar dit gebeurt nog steeds één voor één, in volgorde.
Kwantumcomputers maken gebruik van zogenaamde qubits in plaats van bits. Een qubit kan 0, 1, of — en dit is het bizarre — beide tegelijk zijn!
Dit is mogelijk omdat een qubit een compleet ander soort fysiek object is. De meest voorkomende versie, die ook door Google wordt gebruikt, is een kleine lus van supergeleidend metaal gekoeld tot ongeveer 0,015 graden boven het absolute nulpunt; kouder dan de ruimte, maar op aarde.
Bij die temperatuur stroomt elektriciteit door de lus zonder enige weerstand, en de stroom bevindt zich in een kwantumtoestand. In de supergeleidend lus kan de stroom in de klokwijze (noemen we 0) of tegen de klok in (noemen we 1) vloeien. Maar op kwantumschaal hoeft de stroom niet voor één richting te kiezen; hij vloeit in beide richtingen tegelijkertijd.
Vergeet niet dat dit geen kwestie is van snel schakelen tussen de twee; de stroom is meetbaar, experimentieel en verifiëerbaar in beide staten tegelijk.
De bizarre fysica van kwantumcomputers
Tot nu toe duidelijk? Geweldig, want nu wordt het echt vreemd, want de fysica achter hoe het werkt is niet meteen intuïtief en is ook niet bedoeld om dat te zijn.
Alles wat iemand in het dagelijks leven tegenkomt, gehoorzaamt aan klassieke fysica, die aanneemt dat dingen zich op één plek in één tijd bevinden. Maar deeltjes gedragen zich op subatomair niveau niet op die manier.
Een elektron heeft geen definitieve positie totdat je ernaar kijkt. Een foton heeft geen definitieve polarizatie totdat je deze meet. Een stroom in een supergeleidinglus lijkt niet in één bepaalde richting te vloeien totdat je het dwingt om dat te doen.
De reden dat we dit in ons dagelijks leven niet ervaren, is decoherentie. Wanneer een kwantumsysteem interactie heeft met zijn omgeving — luchtmoleculen, warmte, trillingen en licht — valt de superpositie vrijwel onmiddellijk uiteen.
Een voetbal kan zich niet op twee plaatsen tegelijk bevinden omdat het in elke nanoseconde in interactie staat met triljoenen luchtmoleculen, stof, geluid, warmte, zwaartekracht, enzovoort. Maar wanneer je een kleine stroom in een bijna absolute nulvacuum isoleert en deze beschermt tegen elke mogelijke verstoring, blijft het kwantumgedrag lang genoeg bestaan om berekeningen uit te voeren.
Daarom zijn kwantumcomputers zo moeilijk te bouwen. Mensen ontwerpen fysieke omgevingen waarin de natuurwetten die normaal het optreden van dit soort fenomenen tegenhouden, worden tegengehouden voor precies lang genoeg om een berekening uit te voeren.
De machines van Google opereren in verdunde koelkasten ter grootte van enorme kamers, kouder dan alles in het natuurlijke universum, omgeven door lagen van afscherming tegen elektromagnetisch geluid, trillingen en thermische straling.
En de qubits zijn zelfs dan kwetsbaar. Ze verliezen constant hun kwantumtoestand, wat de reden is waarom ‘foutenherstel’ een overheersend onderwerp is in gesprekken over opschaling.
Kwantumcomputing is dus geen snellere versie van klassieke computing. Het maakt gebruik van een andere set natuurwetten die alleen van toepassing zijn op extreem kleine schalen, extreem lage temperaturen en extreem korte tijdsbestekken.
Als we verder verkennen: twee reguliere bits kunnen in één van vier toestanden zijn (00, 01, 10, 11), maar slechts één tegelijk (aangezien de stroom in slechts één richting kan vloeien). Twee qubits kunnen tegelijkertijd al deze vier toestanden vertegenwoordigen, omdat de stroom in alle richtingen tegelijk stroomt.
Drie qubits vertegenwoordigen acht toestanden. Tien qubits vertegenwoordigen 1.024. Vijftig qubits vertegenwoordigen meer dan een biljard. Het aantal mogelijke toestanden verdubbelt met elke toegevoegde qubit. Dit verklaart de exponentiële schaalbaarheid van kwantumcomputers.
Een tweede belangrijk concept is wat we kwantumverstrengeling noemen. Wanneer twee qubits verstrengeld zijn, weet een waarnemer onmiddellijk iets over de ander op het moment dat de eerste wordt gemeten, ongeacht de afstand tussen hen. Hierdoor kan een kwantumcomputer coördineren tussen al die gelijktijdige toestanden op een manier die gewone parallelle computers niet kunnen.
Deze kwantumcomputers zijn zo ingericht dat verkeerde antwoorden elkaar opheffen (zoals overlappende golven die elkaar platdrukken) en juiste antwoorden elkaar versterken (zoals golven die hoger opbouwen). Aan het einde van de berekening is de kans het grootst dat het correcte antwoord gemeten zal worden.
Het is dus niet enkel brute kracht; het is een fundamenteel andere benadering van berekeningen — eentje die de natuur in staat stelt om een exponentieel grote ruimte van mogelijkheden te verkennen en dat uiteindelijk de juiste antwoord naar voren brengt door middel van fysica in plaats van logica.
Deze verbijsterende fysica maakt het ronduit negenig voor encryptie.
De wiskunde die bitcoin beschermt, is gebaseerd op de veronderstelling dat het controleren van elke mogelijke sleutel langer zou duren dan de leeftijd van het universum.
Maar een kwantumcomputer controleert niet elke sleutel; hij verkent ze allemaal tegelijkertijd en gebruikt interferentie om de juiste ervan naar boven te halen.
Dit heeft alles te maken met bitcoin. Van privékleursleutel naar openbare sleutel is een kwestie van milliseconden, maar de omgekeerde weg – van openbare sleutel terug naar privékleur – zou een klassieke computer een miljoen jaar kosten, of zelfs langer dan de leeftijd van het universum. Die asymmetrie is het enige bewijs dat een persoon zijn bitcoins in eigendom heeft.
Een kwantumcomputer die een algoritme genaamd Shor’s uitvoert, kan die valstrik in omgekeerde richting doorbreken. De paper van Google deze week toonde aan dat dit met veel minder middelen kan dan eerder geschat, en binnen een tijdsbestek dat racet tegen de eigen blockbevestigingen van bitcoin.
Dit is de reden waarom de dreiging van kwantumcomputers die blockchain-encryptie kunnen doorbreken, authentiek bezorgdheid oproept.
Hoe deze aanval stap voor stap werkt, wat de specifieke veranderingen in de paper van Google zijn en wat het betekent voor de reeds 6,9 miljoen bitcoin die al blootgesteld zijn, is onderwerp van het volgende stuk in deze serie.
Vraag & Antwoord
Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen klassieke computers en kwantumcomputers?
Klassieke computers gebruiken bits, die ofwel 0 of 1 zijn, terwijl kwantumcomputers qubits gebruiken, die zowel 0 als 1 gelijktijdig kunnen zijn. Dit maakt kwantumcomputers in staat om exponentieel meer informatie tegelijkertijd te verwerken.
Waarom vormen kwantumcomputers een bedreiging voor blockchain-technologieën?
Kwantumcomputers kunnen de encryptie die blockchain-technologieën zoals bitcoin beveiligen doorbreken door alle mogelijke sleutels gelijktijdig te verkennen, in plaats van deze één voor één te moeten controleren. Dit kan het hele systeem van eigendom en veiligheid ondermijnen.
Wat is de betekenis van Google’s recente paper over kwantumcomputers?
De paper onthult dat bestaande schattingen over de middelen die nodig zijn voor het doorbreken van blockchain-encryptie door kwantumcomputers te optimistisch zijn. Het toont aan dat deze computers effectief sneller en met minder middelen kunnen opereren, wat de urgentie van het probleem vergroot.
