Diese Woche veröffentlichte Google eine Studie, die beschreibt, wie ein Quantencomputer theoretisch in 9 Minuten einen Bitcoin-Private-Key ableiten könnte, mit Auswirkungen, die bis nach Ethereum, andere Tokens, das private Bankwesen und potenziell alles auf der Welt reichen.
Quantencomputing ist leicht mit einer schnelleren Version eines normalen Computers zu verwechseln. Aber es ist kein leistungsstärkerer Chip oder ein größeres Server-Farm. Es ist eine grundsätzlich andere Art von Maschine, anders sogar auf der Ebene des Atoms selbst.
Ein Quantencomputer startet mit einer sehr kalten, sehr kleinen Metall-Schleife, in der Teilchen beginnen, sich so zu verhalten, wie sie es unter normalen Bedingungen auf der Erde nicht tun—so, dass sich ändert, was wir als die grundlegenden Regeln der Physik ansehen.
Zu verstehen, was das physikalisch bedeutet, ist der Unterschied zwischen dem Lesen über die Quantenbedrohung und dem wirklichen Begreifen.
Wie Computer und Quantencomputer tatsächlich arbeiten
Normale Computer speichern Informationen als Bits — jedes ist entweder eine 0 oder eine 1. Ein Bit ist ein winziger Schalter. Physikalisch ist es ein Transistor auf einem „Chip“ — ein mikroskopisches Bauteil, das entweder Strom durchlässt (1) oder nicht (0).
Jedes Foto, jede Bitcoin-Transaktion, jedes Wort, das du jemals getippt hast, wird als Muster solcher Schalter gespeichert, die an oder aus sind. An einem Bit ist nichts Mysteriöses; es ist ein physisches Objekt in einem von zwei eindeutig bestimmten Zuständen.
Jede Berechnung ist im Grunde nur das sehr schnelle Hin- und Her-Schieben dieser 0en und 1en. Ein moderner Chip kann Milliarden davon pro Sekunde ausführen, aber er macht sie immer noch eines nach dem anderen, in Folge.
Quantencomputer verwenden statt Bits etwas, das man Qubits nennt. Ein Qubit kann 0, 1 oder — und das ist der seltsame Teil — beides gleichzeitig sein!
Das ist möglich, weil ein Qubit eine völlig andere Art von physischem Objekt ist. Die gängigste Version, und die, die Google nutzt, ist eine winzige Schleife aus supraleitendem Metall, gekühlt auf etwa 0,015 Grad über dem absoluten Nullpunkt—kälter als der Weltraum, aber hier auf der Erde.
Bei dieser Temperatur fließt der Strom durch die Schleife ohne Widerstand, und der Strom soll in einem Quantenzustand existieren.
In der supraleitenden Schleife kann der Strom im Uhrzeigersinn fließen (nenn das 0) oder gegen den Uhrzeigersinn (nenn das 1). Aber auf Quantenskalen muss der Strom sich nicht für eine Richtung entscheiden und fließt tatsächlich in beiden Richtungen gleichzeitig.
Verwechsel das nicht damit, dass zwischen den beiden Zuständen nur extrem schnell umgeschaltet wird. Der Strom ist messbar, experimentell und verifizierbar gleichzeitig in beiden Zuständen.
(CoinDesk)
Beeindruckende Physik
Bisher mit uns? Großartig, denn hier wird es wirklich ernsthaft seltsam, weil die Physik dahinter, wie es funktioniert, nicht sofort intuitiv ist—und auch nicht so sein soll.
Alles, womit jemand im täglichen Leben interagiert, gehorcht der klassischen Physik, die davon ausgeht, dass sich Dinge an einem Ort zu einer Zeit befinden. Aber Teilchen verhalten sich auf der subatomaren Ebene nicht so.
Ein Elektron hat keine eindeutig bestimmte Position, bis man es ansieht. Ein Photon hat keine eindeutig bestimmte Polarisation, bis man es misst. Ein Strom in einer supraleitenden Schleife fließt nicht in eine eindeutig bestimmte Richtung, bis du ihn dazu zwingst, sich zu entscheiden.
Der Grund, warum wir das im Alltag nicht erleben, heißt Dekohärenz. Wenn ein Quantensystem mit seiner Umgebung wechselwirkt—Luftmoleküle, Wärme, Vibrationen und Licht—kollabiert die Überlagerung fast augenblicklich.
Ein Fußball kann nicht gleichzeitig an zwei Orten sein, weil er mit Billionen von Luftmolekülen, Staub, Schall, Wärme, Gravitation usw. alle Nanosekunden wechselwirkt. Aber isoliert man einen winzigen Strom in einem nahezu absoluten Nullpunkt Vakuum, schützt ihn vor jeder möglichen Störung, dann überlebt das Quantenverhalten lange genug, um damit zu berechnen.
Deshalb ist es so schwer, Quantencomputer zu bauen. Menschen entwickeln physikalische Umgebungen, in denen die Physikgesetze, die normalerweise verhindern, dass so etwas passiert, lange genug in Schach gehalten werden, um eine Berechnung auszuführen.
Googles Maschinen arbeiten in Verdünnungskältemaschinen in der Größe riesiger Räume, kälter als alles im natürlichen Universum, umgeben von mehreren Schichten Abschirmung gegen elektromagnetisches Rauschen, Vibrationen und thermische Strahlung.
Und die Qubits sind selbst dann fragil. Sie verlieren ihren Quantenzustand ständig, weshalb „Fehlerkorrektur“ jede Diskussion über das Hochskalieren dominiert.
Deshalb ist Quantencomputing nicht einfach eine schnellere Version des klassischen Rechnens. Es nutzt eine andere Art physikalischer Gesetze, die nur bei extrem kleinen Skalen, extrem niedrigen Temperaturen und in extrem kurzen Zeitfenstern gelten.
(CoinDesk)
Jetzt bau das darauf auf.
Zwei normale Bits können sich in einem von vier Zuständen befinden (00, 01, 10, 11), aber immer nur in einem zur Zeit (da der Strom nur in eine Richtung fließt). Zwei Qubits können alle vier Zustände gleichzeitig repräsentieren, weil der Strom in alle Richtungen gleichzeitig fließt.
Drei Qubits repräsentieren acht Zustände. Zehn Qubits repräsentieren 1.024. Fünfzig Qubits repräsentieren über ein Quadrillion. Die Anzahl verdoppelt sich mit jedem hinzugefügten Qubit, weshalb die Skalierung so exponentiell ist.
Der zweite Trick heißt etwas namens Verschränkung. Wenn zwei Qubits verschränkt sind, sagt das Messen des einen einem Beobachter sofort etwas über das andere—egal, wie weit sie voneinander entfernt sind. Das ermöglicht es einem Quantencomputer, sich über all diese gleichzeitigen Zustände hinweg zu koordinieren, auf eine Weise, die reguläres paralleles Rechnen nicht kann.
Und diese Quantencomputer sind so eingerichtet, dass falsche Antworten sich gegenseitig auslöschen (wie sich überlagernde Wellen, die sich abflachen) und richtige Antworten sich gegenseitig verstärken (wie Wellen, die immer höher stapeln). Am Ende der Berechnung hat die korrekte Antwort die höchste Wahrscheinlichkeit, gemessen zu werden.
Also ist es nicht reine „Brute-Force“-Geschwindigkeit. Es ist ein grundsätzlich anderer Ansatz für Berechnungen—einer, der es der Natur ermöglicht, in einem exponentiell großen Raum an Möglichkeiten zu „erkunden“ und dann durch Physik statt durch Logik auf die richtige Antwort zusammenzufallen.
Eine monumentale Bedrohung für die Kryptografie
Diese beeindruckende Physik ist der Grund, warum das für Verschlüsselung so beängstigend ist.
Die Mathematik, die Bitcoin schützt, basiert auf der Annahme, dass das Überprüfen jedes möglichen Keys länger dauern würde als das Alter des Universums.
Aber ein Quantencomputer prüft nicht jeden Key. Er erkundet alle gleichzeitig und nutzt Interferenz, um den richtigen an die Oberfläche zu bringen.
Genau dort hängt es mit Bitcoin zusammen. Geht man eine Richtung—vom Private Key zum Public Key—dauert das Millisekunden. Geht man die andere Richtung—vom Public Key zurück zum Private Key—würde ein klassischer Computer eine Million Jahre brauchen, oder sogar länger als das Alter des Universums. Diese Asymmetrie ist das Einzige, was beweist, dass eine Person ihre Coins in der Hand hält.
(CoinDesk)
Ein Quantencomputer, der einen Algorithmus namens Shor ausführt, kann in diese Falltür rückwärts hineingehen. Googles Studie diese Woche zeigte, dass er das mit viel weniger Ressourcen tun könnte, als zuvor irgendwer geschätzt hatte—und innerhalb eines Zeitrahmens, der mit den eigenen Blockbestätigungen von Bitcoin um die Zeit konkurriert.
Darum macht die Bedrohung durch Quantencomputer, die die Blockchain-Verschlüsselung brechen, wirklich alle sehr besorgt.
Wie dieser Angriff Schritt für Schritt funktioniert, was Googles Studie konkret verändert hat und was das für die bereits offengelegten 6,9 Millionen Bitcoin bedeutet, ist das Thema des nächsten Beitrags in dieser Reihe.
