Giải thích về Điện toán Lượng tử: Nó khác với Máy tính Cổ điển như thế nào và Tại sao Nó lại Quan trọng đối với Bitcoin

Chính xác thì điện toán lượng tử là gì, và nó khác gì so với một máy tính thông thường? Và tại sao người dùng Bitcoin lại phải quan tâm?

Những người mới tiếp cận Bitcoin thường xuyên gặp phải những câu hỏi này và phải vật lộn với những lo ngại mà chúng đặt ra về tính dễ bị tổn thương của Bitcoin trước một mối nguy hiểm thực sự có thể đe dọa sự tồn tại nếu một máy tính lượng tử có chức năng từng được chế tạo.

Khả năng sở hữu bitcoin phụ thuộc vào tiền đề cơ bản rằng, trừ khi bản sao bị rò rỉ trực tiếp, chỉ người nắm giữ khóa riêng tư mới có thể ủy quyền các giao dịch liên quan đến số coin được bảo vệ bởi khóa đó. Điện toán lượng tử thách thức tiền đề đó.

Máy tính lượng tử không chỉ đơn thuần là 'máy tính, nhưng nhanh hơn.' Chúng hoạt động trên một nền tảng khác sâu sắc so với máy tính cổ điển, khiến chúng hiệu quả hơn nhiều đối với những loại tính toán rất đặc thù. Rõ ràng, một lời giải thích kỹ thuật chi tiết về điện toán lượng tử nằm ngoài phạm vi của bài viết này, nhưng ý tưởng cốt lõi về cách chúng khác với máy cổ điển sẽ được phác thảo.

Hãy xem xét cách mỗi loại máy tính xử lý các khóa mật mã lớn.

Máy tính Cổ điển

Mọi mảnh dữ liệu trong máy tính cổ điển được biểu diễn dưới dạng một chuỗi các số 1 và 0. Mỗi bit rõ ràng là 1 hoặc 0. Dữ liệu được lưu trữ, thao tác và sửa đổi từng bit một, từng bước một, mỗi lần một bit.

Một máy tính hoạt động tuyến tính. Nó sửa đổi các mảnh dữ liệu rời rạc, rõ ràng lần lượt từng bước. Nó không thể nhảy trước hay đi tắt trong quá trình từng bước của mình; nó phải thực thi từng bước tính toán theo thứ tự.

Khi một máy tính tạo khóa riêng tư, nó thu được một giá trị ngẫu nhiên và lưu trữ nó trong bộ nhớ dưới dạng các số 1 và 0. Sau đó, nó nhân giá trị đó với điểm sinh của đường cong elliptic để tạo ra khóa công khai. Điều này được thực hiện thông qua một thuật toán — về cơ bản là các hướng dẫn về bit nào cần lấy, cách sửa đổi chúng và sử dụng mạch vật lý nào, cuối cùng đưa giá trị mới đã thay đổi trở lại bộ nhớ.

Các bước bổ sung cần thiết để tạo ra một địa chỉ hợp lệ, nhưng đối với cuộc thảo luận này, chúng không cần thiết. Chúng tuân theo cùng một khuôn mẫu: các hướng dẫn từng bước để sửa đổi các số 1 và 0 trong bộ nhớ.

Điều gì xảy ra nếu ai đó muốn dùng máy tính để đoán khóa riêng tư của người khác?

Có 2^256 khóa riêng tư có thể có — tức là 115,792,089,237,316,195,423,570,985,008,687,907,853,269,984,665,640,564,039,457,584,007,913,129,639,936 khả năng riêng biệt.

Một máy tính sẽ cần kiểm tra từng khóa riêng tư một, lần lượt (hoặc càng nhiều song song càng tốt), tuân theo chính xác các hướng dẫn tạo khóa. Càng nhiều khóa được kiểm tra song song, càng cần nhiều sức mạnh tính toán, và không có cách nào tránh được chi phí đó.

Sức mạnh tính toán ít hơn đồng nghĩa với thời gian nhiều hơn; thời gian ít hơn đòi hỏi sức mạnh tính toán nhiều hơn.

Đây là một nhiệm vụ bất khả thi đối với máy tính cổ điển. Một mặt, chi phí tính toán vượt quá tổng năng lực của mọi máy tính trên Trái đất. Mặt khác, thời gian cần thiết lớn đến nỗi mọi ngôi sao trong vũ trụ sẽ tắt trước khi tất cả các khóa được kiểm tra.

Để thành công, cần một cách tiếp cận khác — một cách không phụ thuộc vào việc kiểm tra khóa tuyến tính hay song song. Đó là lúc điện toán lượng tử xuất hiện.

Máy tính Lượng tử

Máy tính lượng tử không làm việc với các trạng thái rời rạc. Mặc dù mọi thứ cuối cùng vẫn là 1 hoặc 0, đơn vị thông tin cơ bản là qubit. Không giống như bit, một qubit tồn tại ở trạng thái chồng chập, đồng thời vừa là 1 vừa là 0. Nó rơi vào một trạng thái xác định chỉ khi được quan sát.

Chồng chập là một khối xây dựng chính. Khối kia là rối lượng tử. Các qubit không được lưu trữ riêng lẻ; các nguyên tử vật lý đại diện cho chúng bị rối. Khi được quan sát và sụp đổ, các nguyên tử rối rắm sụp đổ về cùng một trạng thái bất kể khoảng cách.

Đây là nơi lời giải thích trở nên hơi mơ hồ, nhưng trực giác cốt lõi vẫn còn. Một thuật toán cổ điển là một tập hợp các hướng dẫn lấy các bit cụ thể và sửa đổi chúng từng bước cho đến khi một tập bit mới được đầu ra. Nó biến đổi một trạng thái rời rạc này thành một trạng thái khác.

Các qubit không lưu trữ trạng thái rời rạc cho đến khi được quan sát. Chúng lưu trữ các xác suất. Khi các qubit có kích thước bất kỳ bị rối — giả định là 2^256 — mỗi trạng thái sụp đổ có thể có một xác suất xảy ra nhất định.

Các thuật toán lượng tử không phải là các hướng dẫn từng bước để vận hành trên các trạng thái rời rạc. Thay vào đó, chúng là các hướng dẫn để vận hành trên các qubit rối nhằm thay đổi xác suất của các kết quả khác nhau. Giao thoa tăng cường làm tăng xác suất của kết quả đúng, trong khi giao thoa triệt tiêu làm giảm xác suất của các kết quả sai. (Điều này không giống với nhiễu vật lý khiến việc xây dựng máy tính lượng tử có chức năng trở nên khó khăn.)

Một máy tính cổ điển phải kiểm tra từng khóa riêng tư riêng lẻ để tìm ra khóa khớp với một khóa công khai nhất định. Một máy tính lượng tử, sử dụng thuật toán đúng, có thể chạy một vài lần và đi đến câu trả lời đúng. Nó không 'kiểm tra tất cả các khả năng cùng một lúc.' Nó chỉ đơn giản điều chỉnh xác suất của những gì một sự chồng chập sụp đổ thành.

Điều này giải thích tại sao máy tính lượng tử có thể phá vỡ các giả định đằng sau mật mã đường cong elliptic trong khi máy tính cổ điển không thể. Nó cũng giải thích tại sao máy tính lượng tử chỉ hữu ích cho một số vấn đề nhất định với không gian rộng lớn các câu trả lời có thể.

Đừng Hoảng Sợ

Sự khác biệt cơ bản này có nghĩa là nếu một máy tính lượng tử khả thi, hoạt động chính xác từng được chế tạo, thì giả định nền tảng bảo vệ coin của mọi người dùng Bitcoin sẽ bị phá vỡ. Tất cả số tiền đó trở nên không an toàn.

Đúng vậy, đây là một rủi ro nghiêm trọng nếu một thiết bị như vậy thực sự được sản xuất và hoạt động. Nhưng cộng đồng không hoàn toàn không chuẩn bị. Vấn đề và mức độ phơi nhiễm đã được hiểu, và nhiều giải pháp tiềm năng cho các khía cạnh khác nhau của vấn đề đang được hình thành.

Hãy hít thở và thư giãn. Phần còn lại của số báo này sẽ đi qua toàn bộ vấn đề.

Bài viết này có trong ấn bản In mới nhất của Bitcoin Magazine, Số Lượng tử. Nó được chia sẻ ở đây như một cái nhìn sớm về những ý tưởng được khám phá trong toàn bộ số báo.