Chip komputasi kuantum terbaru dari Google, “Willow,”telah menarik perhatian signifikan dari komunitas teknologi global. Pengembangan terobosan ini tidak hanya memamerkan pencapaian terbaru dalam komputasi kuantum tetapi juga memunculkan diskusi kritis tentang dampak potensialnya terhadap keamanan blockchain. Dasar keamanan blockchain terletak pada tantangan kriptografi kompleks, dan kemajuan dalam komputasi kuantum dapat menjadi ancaman bagi dasar ini. Artikel ini menggali implikasi potensial dari chip 'Willow' Google terhadap keamanan blockchain.

Melihat Lebih Dekat pada Chip Kuantum “Willow”

Menurut laporan resmi [1], Google telah mengungkapkan chip komputasi kuantum terbarunya, “Willow,” dan mengumumkan dua terobosan besar:

1. Kemajuan dalam Koreksi Kesalahan Kuantum: \
   Dengan meningkatkan jumlah qubit, “Willow” telah secara signifikan mengurangi tingkat kesalahan, menangani isu kritis dalam komputasi kuantum yang belum terselesaikan selama hampir 30 tahun.
2. Kecepatan Komputasi yang Luar Biasa: \\
   “Willow” menyelesaikan komputasi benchmark standar dalam waktu kurang dari lima menit. Dibandingkan dengan salah satu superkomputer tercepat di dunia, diperlukan waktu1.025 tahununtuk melakukan tugas yang sama — rentang waktu yang jauh melebihi usia alam semesta.

Mari kita ungkap pencapaian-pencapaian ini. Untuk saat ini, kita akan menyingkirkan terlebih dahulu terobosan pertama dalam koreksi kesalahan kuantum dan fokus pada yang kedua: kecepatan komputasi. Jika "Willow" dapat menyelesaikan dalam lima menit apa yang akan memakan waktu 1.025 tahun bagi superkomputer untuk mencapai, itu menyajikan perbandingan yang mencolok dengan tantangan kriptografi tradisional.

Sebagai contoh, pertimbangkan waktu yang diperlukan bagi komputer klasik untuk memaksa kunci enkripsi RSA-2048. Menurut perkiraan oleh John Preskill [2], sebuah komputer rumahan akan membutuhkan sekitar 10¹⁶ tahun untuk membobol RSA-2048.

Dengan kemampuan yang menakjubkan dari “Willow,” jika dapat menangani tugas yang membutuhkan waktu superkomputer selama 1.025 tahun dalam waktu lima menit, mungkin terlihat enteng baginya untuk mengatasi tantangan yang memerlukan 10¹⁶ tahun. Apakah ini berarti masalah kriptografis faktorisasi bilangan bulat, yang menjadi dasar dari RSA, tidak lagi aman? Dengan logika yang sama, apakah masalah logaritma diskret pada kurva eliptik, landasan keamanan blockchain lainnya, sudah terpecahkan? Spekulasi ini mengindikasikan sebuah skenario di mana keamanan blockchain bisa runtuh dalam sekejap.

Tapi Apakah Itu Benar-benar Kasusnya?

Mari kita lebih dalam lagi untuk memahami implikasi sebenarnya dari perkembangan ini terhadap kriptografi dan teknologi blockchain. (To be continued…)

Jenis Komputer Kuantum Apa yang Dibutuhkan untuk Meretas Kunci Privat Blockchain?

Komputer kuantum memiliki potensi teoritis untuk menyelesaikan tantangan kriptografi klasik, seperti masalah faktorisasi bilangan bulat dan masalah logaritma diskret, yang menjadi dasar banyak sistem enkripsi. Tetapi sebenarnya seberapa besar kemampuan komputasi kuantum yang diperlukan untuk menyelesaikan tantangan kriptografi tertentu? Mari kita jelajahi ini melalui contoh-contoh berikut:

Mengfaktorkan bilangan bulat besar dari kunci publik RSA-2048.

Menghasilkan kunci pribadi dari kunci publik pada kurva eliptik seperti Secp256k1, Secp256r1, atau Ed25519.

Untuk komputer klasik, kedua tugas tersebut tidak mungkin dihitung secara komputasional. Berdasarkan parameter keamanan masing-masing, kriptografi kurva eliptik (ECC) sedikit lebih sulit untuk ditembus daripada RSA. Namun, penelitian oleh Martin et al. [3] menunjukkan bahwa untuk komputer kuantum, situasinya terbalik: RSA sedikit lebih sulit daripada ECC. Untuk kesederhanaan, kita memperlakukan kedua masalah ini memiliki tingkat kesulitan yang sama dan fokus pada masalah kedua.

Peran Secp256k1 dan Kurva Serupa dalam Keamanan Blockchain

Kurva eliptik seperti Secp256k1, Secp256r1, dan Ed25519 banyak digunakan dalam sistem blockchain. Masalah logaritma diskret (DLP) pada kurva-kurva ini membentuk dasar keamanan blockchain, termasuk sistem seperti Bitcoin. Jika masalah ini terpecahkan, penyerang dapat memalsukan transaksi di blockchain sesuka hati. Jelas, kemampuan untuk memecahkan DLP pada kurva eliptik akan langsung menentukan kelangsungan keamanan blockchain.

Persyaratan Komputasi Kuantum untuk Membongkar DLP

Menurut Martin et al. [3], menyelesaikan masalah logaritma diskret pada kurva eliptik yang didefinisikan di atas bidang dengan order utama (dengan ukuran order nnn bit) akan memerlukan:

• Quantum Resources:
  9n+2⌈log⁡2(n)⌉+109n + 2\lceil \log_2(n) \rceil + 109n+2⌈log2​(n)⌉+10 kubit logis.
• Sirkuit Kuantum:
  448n3log⁡2(n)+4090n3448n^3\log_2(n) + 4090n^3448n3log2​(n)+4090n3 gerbang Toffoli dalam rangkaian kuantum.

Contoh: Membongkar Kurva Standar NIST P-256

Untuk kurva P-256 yang digunakan dalam banyak sistem kriptografi:

• Qubit Logis: 2.330 qubit logis berkualitas tinggi diperlukan untuk operasi gerbang kuantum.
• Gerbang Toffoli: Sekitar 1.26×10111,26 × 10^{11}1.26×1011 gerbang Toffoli diperlukan untuk sepenuhnya mengimplementasikan algoritma Shor.

Implikasi untuk Keamanan Blockchain

Sebuah komputer kuantum dengan hanya 2.330 qubit logis dan mampu menjalankan 1,26×10^{11} gerbang Toffoli akan cukup untuk mengancam sistem blockchain. Kemampuan ini akan membongkar keamanan Bitcoin, Ethereum, dan hampir semua jaringan blockchain lainnya yang mengandalkan ECC untuk perlindungan kriptografis.

Meskipun persyaratan sumber daya ini menakutkan, kemajuan pesat dalam teknologi komputasi kuantum menunjukkan bahwa mencapai kemampuan tersebut mungkin tidak tidak mungkin dalam jangka panjang. Namun, perkiraan saat ini menempatkan realisasi sistem kuantum tersebut 15–20 tahun ke depan, memberikan industri blockchain jendela penting untuk mengembangkan dan menerapkan kriptografi tahan kuantum.

Kunci untuk Komputasi Kuantum: Qubit Logis Berkualitas Tinggi

Kemampuan komputasi luar biasa dari komputer kuantum, yang jauh melebihi komputer klasik, terletak pada kemampuannya untuk memanfaatkan superposisi kuantumdanparalelisme kuantummelaluikuantum bit (qubit)Berbeda dengan komputasi klasik, yang bergantung pada proses linear, komputasi kuantum memungkinkan perhitungan kompleks dengan mengoperasikan beberapa keadaan secara bersamaan. Namun, sifat unik qubit juga membawa tantangan signifikan.

Qubit sangat sensitif terhadap kebisingan lingkungan dan gangguan eksternal, membuat keadaan mereka tidak stabil dan rentan kehilangan sifat kuantumnya (fenomena yang dikenal sebagai dekoherensiKesalahan dapat terjadi pada hampir setiap tahap proses komputasi kuantum - selama inisialisasi, pemeliharaan keadaan, operasi gerbang kuantum, atau pengukuran hasil. Kesalahan seperti itu dapat membuat algoritma kuantum tidak efektif atau menghasilkan hasil yang salah. Oleh karena itu, memastikan stabilitas dan ketepatan qubit untuk mendapatkanqubit berkualitas tinggiadalah salah satu tantangan inti dalam komputasi kuantum.

Menangani Tantangan: Qubit Logis dan Koreksi Kesalahan

Salah satu strategi kunci untuk mengatasi ketidakstabilan qubit adalah konstruksi qubit logis, yang mengurangi tingkat kesalahan dengan menggabungkan beberapa qubit fisik dengan kode koreksi kesalahan kuantum. Kode-kode ini, seperti kode permukaan dan kode Cartesian, memungkinkan deteksi dan koreksi kesalahan, sehingga meningkatkan keandalan dan kehandalan sistem kuantum.

Setiap qubit logis biasanya memerlukan puluhan hingga ribuan qubit fisik untuk mendukungnya. Meskipun qubit logis secara signifikan meningkatkan toleransi kesalahan komputer kuantum, namun hal ini datang dengan biaya peningkatan persyaratan qubit fisik dan algoritma koreksi kesalahan yang kompleks.

Tantangan kritis dalam koreksi kesalahan kuantum telah muncul sebagai bottleneck utama. Para peneliti awalnya mengasumsikan bahwa pengorbanan qubit fisik tambahan akan meningkatkan akurasi dari qubit logis. Namun, kenyataannya membuktikan sebaliknya. Karena tingkat kesalahan yang tinggi secara inheren dari qubit fisik (berkisar dari 10⁻¹ hingga 10⁻³), upaya awal dalam koreksi kesalahan seringkali menghasilkan qubit logis dengan tingkat kesalahan yang bahkan lebih tinggi daripada qubit fisik itu sendiri.

Paradox ini bisa diibaratkan dengan skenario tim yang kacau: "Semakin banyak orang terlibat, semakin banyak kekacauan terjadi." Dalam koreksi kesalahan kuantum, kualitas buruk qubit fisik berarti mekanisme koreksi kesalahan seringkali memperkenalkan lebih banyak kesalahan daripada yang dihilangkan. Fenomena ini, sering digambarkan sebagai "mengoreksi ke dalam kekacauan," menegaskan pentingnya qubit fisik berkualitas tinggi sebagai dasar untuk membangun qubit logis yang dapat diandalkan.

Tanpa qubit logis berkualitas tinggi, komputasi kuantum praktis tetap tidak dapat dicapai. Mengatasi tantangan ini membutuhkan tidak hanya kemajuan dalam stabilitas qubit fisik tetapi juga terobosan dalam teknik koreksi kesalahan kuantum. Mencapai tujuan ini sangat penting untuk membuka potensi penuh komputasi kuantum dan mengatasi keterbatasan saat ini.

Mengulangi Prestasi Quantum Chip "Willow"

Dengan pemahaman yang kuat tentang tantangan yang mengelilingi komputasi kuantum, kita sekarang dapat mengevaluasi kembali pencapaian dari chip kuantum Google, 'Willow'.

Salah satu aspek paling inovatif dari “Willow” adalah kemampuannya untuk mengatasi hambatan yang telah lama ada dalam koreksi kesalahan kuantum menggunakan kode permukaan [4][5]. Dengan meningkatkan jumlah qubit dan mengoptimalkan teknik koreksi kesalahan, “Willow” telah mencapai tonggak bersejarah: mengubah koreksi kesalahan dari proses yang merugikan menjadi keuntungan bersih.

Performa kode permukaan

Selain itu, chip “Willow” menyelesaikan komputasi benchmark Random Circuit Sampling (RCS) dalam waktu kurang dari lima menit. RCS adalah metode yang banyak digunakan untuk mengevaluasi kinerja komputer kuantum.

Namun, penting untuk dicatat bahwa kesenjangan kinerja yang mengesankan antara komputer kuantum dan superkomputer klasik dalam uji coba ini sebagian muncul dari perbedaan mendasar antara komputasi kuantum dan klasik. Untuk lebih memahami hal ini, kita dapat menggunakan analogi yang kurang sempurna: membandingkan “kecepatan satelit di angkasa” dengan “kecepatan mobil di darat”.

Selanjutnya, perlu ditekankan bahwa saat ini RCS masih kurang memiliki skenario aplikasi praktis, yang lebih berfungsi sebagai alat evaluasi kinerja.

Kapan “Willow” Akan Mengatasi Tantangan Kriptografi Klasik?

Peta Jalan Komputasi Kuantum Google

Diagram di atas menggambarkan enam tahap roadmap pengembangan komputasi kuantum Google, yang menyoroti jalur kritis dari terobosan eksperimental hingga aplikasi praktis dalam skala besar.

Tahap 1 (2019):

Menggunakan prosesor Sycamore, tim tersebut berhasil menunjukkan komputasi kuantum yang melebihi komputasi klasik. Hanya dalam waktu 200 detik, prosesor menyelesaikan tugas yang akan memakan waktu 10.000 tahun bagi superkomputer tradisional, membentuk dasar untuk supremasi kuantum. Tujuan tahap ini tercapai dengan menggunakan komputer kuantum yang memiliki 54 qubit fisik.

Tahap 2 (2024):

Gate.ioKeripik willowdigunakan untuk mendemonstrasikan prototipe pertama dari qubit logis, membuktikan bahwa koreksi kesalahan kuantum dapat mengurangi tingkat kesalahan. Terobosan ini membuka jalan bagi pembangunan komputer kuantum praktis berskala besar dan memungkinkan kemungkinan aplikasi kuantum skala menengah dalam waktu dekat (NISQ). Tujuan untuk tahap ini juga tercapai, dengan komputer kuantum mencapai 105 qubit fisik dan tingkat kesalahan qubit logis sebesar 10−310^{-3}10−3.

Tahap 3:

Tujuannya adalah membangun kubit logika yang memiliki tingkat kesalahan kurang dari satu dalam sejuta operasi. Untuk mencapai hal ini, diperlukan koreksi kesalahan kuantum yang lebih tangguh dan arsitektur perangkat keras yang dapat diskalakan. Komputer kuantum pada tahap ini diperkirakan memiliki 10310^3103 kubit fisik, dengan tingkat kesalahan kubit logika yang dikurangi menjadi 10−610^{-6}10−6.

Tahap 4:

Fokus beralih ke mencapai operasi gerbang kuantum logis rendah kesalahan, memungkinkan aplikasi koreksi kesalahan kuantum yang berarti. Diperkirakan komputer kuantum akan mencapai 10410^4104 qubit fisik sambil menjaga tingkat kesalahan qubit logis sebesar 10−610^{-6}10−6.

Tahap 5:

Sistem akan diperluas menjadi 100 qubit logis dan mencapai operasi gerbang berpresisi tinggi, membuka lebih dari tiga aplikasi kuantum toleran kesalahan. Diperkirakan komputer kuantum akan memiliki 10510^5105 qubit fisik, dengan tingkat kesalahan qubit logis tetap pada 10−610^{-6}10−6.

Tahap 6:

Tujuan utama adalah mengendalikan dan menghubungkan 1 juta qubit, menciptakan komputer kuantum tahan kesalahan berskala besar. Sistem ini diharapkan dapat secara luas diterapkan dalam bidang seperti kedokteran dan teknologi berkelanjutan, dengan lebih dari 10 aplikasi kuantum yang mengubah berbagai industri. Komputer kuantum pada tahap ini akan memiliki 10610^6106 qubit fisik, dengan tingkat kesalahan qubit logis turun menjadi 10−1310^{-13}10−13.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, memecahkan tantangan kriptografi blockchain umum, seperti masalah logaritma diskret kurva eliptik, membutuhkan sekitar 2.330 qubit logika berkualitas tinggi dan rangkaian kuantum dengan 1,26×1011 gerbang Toffoli. Qubit logika mengandalkan koreksi kesalahan kuantum, di mana setiap qubit logika biasanya membutuhkan beberapa qubit fisik untuk dukungan. Misalnya, chip Willow menggunakan jarak kode 7, membutuhkan 72=497^2=4972=49 qubit fisik per qubit logika, dengan total sekitar 114.170 qubit fisik.

Namun, perkiraan ini optimis. Saat skala dan kedalaman operasi kuantum meningkat, persyaratan yang lebih ketat untuk tingkat kesalahan kubit logis akan muncul. Saat ini, tingkat kesalahan kubit logis Willow sekitar 10−3, jauh dari tingkat yang diperlukan untuk menyelesaikan masalah tersebut. Menurut Craig dkk. [6], menyelesaikan masalah RSA-2048, yang memiliki kompleksitas serupa dengan masalah logaritma diskrit kurva eliptik, memerlukan tingkat kesalahan kubit logis sebesar 10−15 dan jarak kode setidaknya 27. Ini berarti setiap kubit logis memerlukan 729 kubit fisik, dengan total lebih dari 1.698.570 kubit fisik. Selain itu, tingkat kesalahan kubit logis yang diperlukan sebesar 10−15 tidak hanya jauh di bawah 10−3 Willow tetapi juga dua kali lipat lebih rendah dari tingkat kesalahan kubit logis yang diantisipasi untuk komputer kuantum dalam Roadmap Tahap 6 Google.

Berdasarkan peta jalan pengembangan Google, baru akan memungkinkan untuk menangani masalah logaritma diskret kurva eliptik setelah komputasi kuantum mencapai Tahap 6. Untuk mencapai tujuan ini akan memerlukan kemajuan signifikan dalam kualitas qubit logis, bersama dengan manajemen yang efisien dan koreksi kesalahan dari jumlah qubit fisik yang besar.

Dengan asumsi selang waktu lima tahun antara Tahap 1 dan 2 serta kemajuan yang stabil, diperkirakan akan memakan waktu 15 hingga 20 tahun bagi “Willow” untuk mengatasi tantangan kriptografi klasik. Bahkan dengan pandangan optimis, dibutuhkan setidaknya 10 tahun untuk mencapai tingkat yang dibutuhkan.

Keamanan Blockchain di Masa Depan

Ketika komputer kuantum mencapai kekuatan komputasi yang memadai, mereka akan dapat memanfaatkan keunggulan asimetris mereka untuk dengan cepat mengompromikan mekanisme keamanan inti dari cryptocurrency. Ini termasuk mencuri kunci pribadi pengguna dan mengendalikan aset mereka. Dalam skenario seperti itu, jaringan cryptocurrency yang ada akan menghadapi keruntuhan sistemik, meninggalkan aset pengguna tak terlindungi.

Saat ini, namun, chip kuantum Willow Google masih berada dalam tahap awal penelitian komputasi kuantum dan tidak mampu menyelesaikan tantangan kriptografi seperti faktorisasi integer besar dan logaritma diskrit kurva eliptik. Akibatnya, chip tersebut belum menjadi ancaman yang substansial terhadap keamanan blockchain. Pengembangan komputer kuantum yang benar-benar praktis menghadapi berbagai tantangan teknis, menjadikan ini perjalanan yang panjang dan berat.

Meskipun teknologi komputasi kuantum belum secara langsung mengancam aset yang dienkripsi, perkembangan yang cepat tidak dapat diabaikan. Menurut perkiraan berdasarkan tren teknologi saat ini, komputer kuantum diperkirakan akan mengatasi beberapa bottleneck teknis utama dalam dekade mendatang, secara bertahap mendekati titik kritis di mana mereka dapat mengancam kriptografi tradisional. Mengantisipasi tantangan potensial ini, komunitas blockchain harus merencanakan dan mempersiapkan untuk menghadapi dampak teknologi era kuantum secara proaktif. Untuk memastikan keamanan dan stabilitas jangka panjang sistem blockchain, tiga langkah kunci sangat penting:

1. Mempercepat Penelitian dan Standardisasi Algoritma Tahan Kuantis

Sangat penting untuk memajukan penelitian dalam kriptografi tahan quantum, seperti algoritma berbasis lattice, dan mempromosikan penerapan standar mereka secara global. Ini adalah prioritas utama dalam mengatasi ancaman quantum dan sangat penting untuk keamanan teknologi blockchain di masa depan.

1. Secara Aktif Menerapkan Teknologi Kriptografi Tahan Kuantisasi

Upaya harus difokuskan pada pembentukan infrastruktur kriptografis yang tahan terhadap kuantum yang kuat untuk menyediakan dasar teknis yang kuat untuk keamanan jangka panjang dari jaringan blockchain. Hal ini akan memastikan sistem dapat merespons secara efektif terhadap ancaman kuantum potensial dan menjaga operasi yang stabil.

1. Menjelajahi Potensi Inovatif Komputasi Kuantum

Komunitas blockchain juga seharusnya menjelajahi potensi aplikasi komputasi kuantum, seperti mengoptimalkan komputasi on-chain, meningkatkan efisiensi penjadwalan sumber daya, dan meningkatkan perlindungan privasi. Inovasi-inovasi ini bisa memberikan momentum pertumbuhan baru ke teknologi blockchain.

Meskipun penerapan luas komputer kuantum belum terwujud, kedatangan mereka pada akhirnya tak terhindarkan. Dalam konteks ini, kerangka keamanan blockchain berdasarkan kriptografi tradisional akan secara bertahap digantikan oleh jaminan keamanan yang didasarkan pada kriptografi tahan kuantum.

Perusahaan seperti Safeheron sudah bekerja sama dengan lembaga akademik untuk secara aktif mengeksplorasi algoritma tahan kuantum, yang membentuk dasar evolusi teknologi keamanan aset digital. Selain itu, ekosistem blockchain telah mulai melihat rantai publik yang mengintegrasikan algoritma tahan kuantum, menunjukkan tren berpikir ke depan yang mengurangi kekhawatiran berlebihan.

Pengembangan komputasi kuantum tidak hanya menimbulkan tantangan keamanan potensial bagi teknologi blockchain tetapi juga menawarkan peluang untuk kemajuan teknologi dan peningkatan efisiensi. Dengan mengatasi perubahan ini secara aktif dan merangkul transformasi, teknologi blockchain dapat berkembang di tengah gelombang inovasi masa depan, mencapai tingkat kedewasaan dan kreativitas yang lebih tinggi.

Referensi

[1] Bertemu dengan Willow, cip kuantum mutakhir kami
[2] John Preskill - Pengantar Informasi Kuantum (Bagian 1) - CSSQI 2012
[3] Estimasi Sumber Daya Kuantum untuk Menghitung Logaritma Diskret Kurva Eliptik
[4] Menekan kesalahan kuantum dengan memperluas kubit logika kode permukaan
[5]Koreksi kesalahan kuantum di bawah ambang kode permukaan
[6]Bagaimana cara memfaktorkan bilangan bulat RSA 2048 bit dalam 8 jam menggunakan 20 juta qubit berisik
[7] Peta jalan komputasi kuantum Google

Disclaimer:

1. Artikel ini direproduksi dari [Safeheron]. Hak cipta milik penulis asli [ Max He]. Jika Anda memiliki keberatan terhadap cetakan ulang, silakan hubungi Gate Belajartim, tim akan menanganinya secepat mungkin sesuai dengan prosedur yang relevan.
2. Penafian: Pandangan dan opini yang terungkap dalam artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis dan tidak merupakan nasihat investasi apa pun.
3. Versi bahasa lain dari artikel diterjemahkan oleh tim Belajar gate. Kecuali dinyatakan lain, artikel yang diterjemahkan mungkin tidak boleh disalin, didistribusikan, atau diplagiatkan.