Чип Willow от Google (Источник:reversepcb)

Запуск чипа Willow от Google (Источник:reversepcb)

Быстрое развитие технологий перевело квантовые вычисления из теоретических концепций в практическую реальность. Представление Google квантового чипа Willow в декабре 2024 года привлекло широкое внимание. Этот чип обозначает значительный скачок в вычислительных возможностях и представляет потенциальное вызов существующим системам шифрования. В этой статье мы рассмотрим принципы квантовых вычислений, исследуем технологический прорыв, представленный чипом Willow от Google, рассмотрим его потенциальные применения, оценим угрозу, которую он представляет для криптовалют, и обсудим, как индустрия криптовалют должна подготовиться к этому новому вызову.

Что такое Квантовые вычисления ликвидности?

Квантовые вычисления - это инновационный вычислительный подход, основанный на принципах квантовой механики, использующий квантовые биты, или кьюбиты, для выполнения вычислений. В отличие от классических бинарных битов, которые представляют собой либо 0, либо 1, кьюбиты могут существовать одновременно в суперпозиции обоих состояний и проявлять сложные корреляции через квантовое запутывание.

Это уникальное свойство позволяет квантовым компьютерам решать определенные проблемы с экспоненциально большей скоростью. Например, задачи, такие как факторизация простых чисел, которые могут занять миллионы лет для традиционных компьютеров, могут быть выполнены с использованием квантовых вычислений за секунды или минуты. Такие возможности имеют глубокие последствия для современной криптографии и научных вычислений, открывая новые возможности и вызовы.

Почему квантовые компьютеры быстрее суперкомпьютеров?

Преимущества квантовых компьютеров происходят из трех основных принципов квантовой механики:

1. Суперпозиция:

   • Один квантовый бит может одновременно находиться в состоянии 0 и 1, что означает, что n квантовых битов могут представлять 2^n возможных состояний. Это позволяет квантовым вычислениям исследовать несколько возможностей одновременно, значительно повышая эффективность.

2. Спутанность:

   • Квантовое запутывание позволяет двум квантовым битам иметь высоко коррелированные состояния, даже если они находятся далеко друг от друга. Эта особенность позволяет квантовым компьютерам быстро сотрудничать во время многобитовых операций, сокращая задержку.

3. Вмешательство:

   • Квантовые компьютеры могут манипулировать фазой квантовых состояний, увеличивая вероятность правильных ответов и уменьшая вероятность неправильных. Эта способность дополнительно повышает как скорость, так и точность вычислений.

Если сравнивать квантовые вычисления с процессом решения лабиринта, то традиционный центральный процессор может пытаться пройти каждый путь только по одному, в то время как графический процессор может отправить тысячи агентов по разным путям одновременно. Квантовый компьютер, однако, был бы подобен бесчисленным теневым клонам, исследующим все пути одновременно, пока выход не будет найден.

Прорыв технологий Willow Chip компании Google

Две наиболее значительные достижения чипа Willow от Google следующие:

• Уиллоу может экспоненциально снизить количество ошибок, решая ключевую проблему в коррекции квантовых ошибок, над которой в этой области работают почти 30 лет.
• Плетенка завершила стандартное бенчмарк-вычисление менее чем за пять минут, задача, которую один из самых быстрых суперкомпьютеров сегодня выполнил бы за 10 квинтиллионов лет (1025 лет) - число, превышающее возраст вселенной.

Последние достижения Google в области квантовых вычислений сосредоточены вокруг чипа Willow. По сравнению с более ранним чипом Sycamore, у чипа Willow 105 кубитов, вдвое больше, чем у Sycamore. Однако настоящий прорыв заключается в количестве кубитов и их качестве. Время когерентности кубитов Willow, известное как время T1, значительно улучшено, увеличившись примерно в пять раз по сравнению с предыдущими чипами. Это улучшение позволяет кубитам хранить информацию в течение гораздо более длительного периода, что, безусловно, является ключевым фактором обеспечения точности и стабильности, а не просто значительным увеличением масштаба.

Ранее основной проблемой с кубитами была их хрупкость. Одним из основных вызовов в квантовых вычислениях является то, что кубиты чрезвычайно чувствительны к внешнему вмешательству, что приводит к высоким уровням ошибок (уровень ошибок резко увеличивается с увеличением количества кубитов). Чип Willow вводит технологию, известную как Коррекция Ошибок Структуры Кода, которая объединяет физические кубиты в более стабильные логические кубиты, значительно снижая вероятность ошибок. Это решает ключевую проблему, которая оставалась нерешенной почти 30 лет в области квантовых вычислений.

Чип Willow использует логические кубиты, что позволяет самостоятельно исправлять ошибки и существенно снижает уровень ошибок. Основа этой технологии - Квантовая исправление ошибок (QEC).

Джулиан Келли, директор по аппаратному обеспечению квантовых вычислений, представляет Willow и ее достижения (Источник:YouTube)

Что такое коррекция ошибок в квантовых вычислениях?

Квантовая коррекция ошибок (QEC) — это метод, используемый для устранения ошибок, возникающих во время работы квантовых компьютеров. Поскольку кубиты чрезвычайно чувствительны — даже рассеянный свет может вызвать вычислительные ошибки, — методы квантовой коррекции ошибок необходимы для снижения частоты ошибок.

В отличие от традиционных компьютеров, которые используют проверку по четности для исправления ошибок, квантовые компьютеры не могут непосредственно измерить состояние одного кубита для обнаружения ошибок. Вместо этого QEC использует несколько физических кубитов для формирования логического кубита. Даже если некоторые физические кубиты нарушены, система все равно может восстановить правильную информацию. Простыми словами, информация распределена по нескольким кубитам, а не сконцентрирована в одном кубите, поэтому даже если часть кубитов нарушена, оставшиеся кубиты все равно могут предоставить достаточно информации для исправления ошибки.

Исследователи в Google обнаружили, что введение большего количества кубитов и выполнение коррекции ошибок в реальном времени может значительно снизить уровень ошибок. Они опубликовали это открытие в последнем выпуске журнала Nature, описав его как прогресс «ниже порога». Это означает, что с увеличением количества кубитов уровень ошибок может уменьшаться экспоненциально, что является значительным вехопроходом в истории квантовых вычислений.

Применения квантовых вычислений

Развитие лекарств и материаловедение

Квантовые вычисления могут моделировать молекулярные структуры, чтобы помочь исследователям быстро предсказывать молекулярные взаимодействия, тем самым ускоряя открытие новых лекарств и материалов, таких как:

• Проектирование препаратов: Квантовые вычисления имеют потенциал революционизировать проектирование препаратов путем моделирования процессов складывания белков, что значительно ускоряет разработку лекарств от рака или вакцин. Например, во время разработки вакцин от COVID-19 квантовые вычисления сыграли важную роль в анализе структур белков. Квантово-вдохновленная технология Fujitsu смогла просеять трлн молекул и выявить многообещающие лекарственные препараты всего за восемь недель, что значительно сократило типичное время открытия лекарств.
• Научные исследования в области материалов: исследование новых сверхпроводящих материалов или технологий следующего поколения батарей для улучшения эффективности и срока службы батарей электромобилей.

Моделирование климата и наука об окружающей среде

Квантовые вычисления могут симулировать сложные процессы изменения климата, чтобы помочь исследователям понять изменения окружающей среды и найти решения:

• Моделирование климата: Прогнозирование будущих тенденций глобального потепления и предоставление данных в поддержку разработки политики снижения выбросов.
• Оптимизация распределения энергии: Помощь исследователям в проектировании более эффективных систем электросетей для оптимизации распределения энергии и сокращения отходов. Например, компания Fujitsu в партнерстве с портом Гамбурга использовала квантовые вычисления для оптимизации светофоров в портовой зоне. Это снижает заторы и загрязнение окружающей среды, что приводит к более эффективному использованию энергии.

Новая энергия и ядерный синтез

Квантовые вычисления могут моделировать атомное и молекулярное поведение, ускоряя исследования в области технологии ядерного синтеза и разработку более эффективных энергетических систем:

• Симуляция реакции ядерного синтеза: Квантовые вычисления помогают исследователям понять сложные условия, необходимые для реакций ядерного синтеза, играя ключевую роль в продвижении революции в области чистой энергии.
• Улучшение технологии батарей: Путем моделирования химических реакций на молекулярном уровне квантовые вычисления могут помочь разработать более эффективные и экологически чистые батареи. Например, Daimler, совместно с IBM, использовал квантовые вычисления для моделирования поведения молекул серы, что способствовало разработке более производительных и долговечных литий-сероводородных батарей.

Транспорт и логистика

• Планирование рейсов: IBM использует квантовые вычисления для одновременной оптимизации управления флотом, назначения экипажей и пассажирских факторов, обеспечивая наиболее эффективные решения для ускорения восстановления операций полетов.
• Производство автомобилей: В партнерстве с Toyota компания Fujitsu использует технологию цифрового отжига для расчета маршрутов движения в реальном времени, что позволяет снизить логистические затраты и улучшить операционную эффективность.

Основатель Google Quantum AI Хартмут Невен указал, что выпуск чипа Willow является значительным шагом вперед к коммерчески пригодным квантовым вычислениям. Хотя технология все еще находится на ранних стадиях, она заложила прочный фундамент для решения реальных проблем в будущем.

Угроза квантовых вычислений для криптовалют

Поскольку квантовые вычисления продолжают развиваться, они представляют беспрецедентные вызовы для безопасности криптовалют. В настоящее время большинство криптовалют зависят от традиционных методов шифрования с открытым ключом, таких как эллиптическая кривая криптографии (ECC) и хэширования SHA-256. Однако огромная вычислительная мощность квантовых компьютеров потенциально может подорвать эти существующие стандарты шифрования полностью.

1. Риск дешифрования шифрования открытого ключа

• Традиционные методы шифрования с открытым ключом, такие как RSA и ECC, зависят от вычислительной сложности проблем, таких как факторизация простых чисел и дискретные логарифмы, чтобы обеспечить безопасность.
• Алгоритм Шора квантовых вычислений может решать эти проблемы экспоненциально быстрее, что делает существующие методы шифрования уязвимыми. Это потенциально может позволить хакерам обойти меры безопасности, получив доступ к закрытым ключам пользователей и скомпрометировав их цифровые активы.

2. Риск хэш-алгоритмов

• Механизм Биткойна Proof-of-Work (PoW) опирается на функцию хеширования SHA-256 для обеспечения целостности транзакций.
• Алгоритм Гровера квантовых вычислений может ускорить процесс взлома SHA-256 на квадратный корень. Хотя это не так катастрофично, как алгоритм Шора для шифрования с открытым ключом, он все равно может ослабить безопасность криптовалют.

3. Проблемы безопасности транзакций

• Детали транзакции публично записываются в блокчейне в криптовалютах, таких как Биткоин. Хакеры могут использовать квантовые вычисления для взлома приватных ключей транзакций, которые еще не были подтверждены, что позволяет им инициировать несанкционированные транзакции.
• Эта уязвимость «сначала атака, потом подтверждение» подвергает риску цифровые активы и может подорвать общую целостность и надежность сети блокчейн.

Согласно отчету Института Хадсона, если квантовым компьютерам удастся взломать безопасность биткоина, это может привести к рыночным потерям в размере более 3 триллионов долларов, что потенциально может вызвать потрясения на мировых финансовых рынках. Этот риск будет только расти по мере того, как биткоин и другие криптовалюты продолжают набирать популярность в качестве инвестиционных активов. Тем не менее, исследования показывают, что квантовый компьютер, достаточно мощный, чтобы взломать шифрование Биткойна, все еще существует, по крайней мере, через десять лет. Несмотря на это, угроза остается долгосрочной проблемой. Если сообщество разработчиков биткоина вовремя не обновит свои протоколы безопасности, оно может столкнуться со значительными рисками в будущем. В то время как нынешние криптографические методы криптовалют остаются эффективными в традиционных вычислительных средах, вычислительная мощность квантовых компьютеров может в конечном итоге нарушить этот баланс.

Стратегии и направления для криптовалют в ответ на квантовые вычисления

По мере развития квантовых вычислений криптовалютное сообщество и исследовательские учреждения активно изучают стратегии обеспечения безопасности цифровых активов и обеспечения стабильного развития технологии блокчейн. Эти стратегии включают в себя модернизацию криптографических техник, улучшение протоколов блокчейн, укрепление мер безопасности транзакций, установление регулирования и стандартов, а также создание долгосрочных мониторинговых и сотруднических структур.

Разработка пост-квантовой криптографии (PQC)

Как упоминалось ранее, учитывая, что современные технологии шифрования (такие как RSA и ECC) могут быть скомпрометированы квантовыми компьютерами, разработка постквантовой криптографии (PQC) стала центральным направлением. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) возглавляет усилия по созданию стандартов постквантовой криптографии, которые включают:

• Шифрование на основе решетки: такие методы, как Kyber и NTRU, которые используют теорию решеток для обеспечения безопасности, были выбраны NIST в качестве постквантовых криптографических стандартов.
• Хеш-шифрование: Примером является SPHINCS+, который хорошо подходит для цифровых подписей и обеспечивает надежную защиту от атак квантовых вычислений.
• Многомерное полиномиальное шифрование: Этот подход основан на сложности решения многомерных полиномиальных уравнений для обеспечения безопасности.

Обновление протоколов блокчейн и интеграция технологий

Помимо разработки новых криптографических методов, протоколы блокчейна должны быть обновлены, чтобы удовлетворить требования безопасности квантовой эры. Крупные проекты блокчейна в настоящее время исследуют следующие технологии:

• Биткойн: Сообщество изучает, как интегрировать постквантовые подписи (такие как подписи Лампорта и подписи Винтерница) в сеть Биткойн для обеспечения безопасности транзакций.
• Ethereum: Исследование технологий нулевого доказательства, таких как zk-SNARKs и STARKs, которые улучшат конфиденциальность и сократят зависимость от традиционных криптографических техник.
• Блокчейн, устойчивый к квантовым вычислениям: Проекты, такие как Quantum-Resistant Ledger (QRL) и QANplatform, сосредоточены на разработке блокчейн-технологий, устойчивых к квантовым атакам, обеспечивая безопасность транзакций и данных на уровне архитектуры.
• Оптимизация механизмов консенсуса блокчейна: Внедрение новых алгоритмов консенсуса, таких как устойчивый к квантовым угрозам доказательство доли (PoS), направлено на обеспечение долгосрочной стабильности и безопасности децентрализованных систем перед угрозами квантовых вычислений.

Усиление безопасности транзакций и частного ключа

Учитывая потенциал квантовых компьютеров подорвать традиционную криптографию, крайне важно дополнительно усилить безопасность транзакций криптовалют и частных ключей.

• Технология многосигнатурности: для авторизации транзакции требуется несколько частных ключей, что повышает безопасность и снижает риск уязвимостей в одной точке.
• Схема пороговой подписи (TSS): Этот подход разделяет секретный ключ на несколько частей, распределенных по нескольким устройствам. Это делает более сложным взлом отдельного ключа с использованием квантовых вычислений.
• Сокращение времени подтверждения транзакции: Оптимизируя эффективность сети, можно сократить время подтверждения транзакций, тем самым уменьшив окно экспозиции для приватных ключей в сети.

Установление регуляций и стандартов

• Разработка глобальных стандартов: Государственные органы и международные организации, такие как NIST и ISO, должны тесно сотрудничать с технологическими компаниями для создания унифицированных стандартов шифрования постквантовых вычислений. Это совместное усилие поможет обеспечить глобальное улучшение мер безопасности на рынке криптовалют.
• Регламенты для квантовых рисков: Регулирующие органы должны разработать руководящие принципы, которые обязывают криптовалютные биржи и провайдеров кошельков принять механизмы, устойчивые к квантовым вычислениям. Эти регламенты будут крайне важны для защиты интересов инвесторов.

Заключение

Развитие квантовых вычислений достигло поворотного момента, когда чип Willow от Google приблизил нас к квантовой эре. Несмотря на то, что это знаменует собой технологический скачок, он также представляет значительную угрозу безопасности криптовалют и финансовых систем. Эксперты предсказывают, что квантовые компьютеры, которые взломают шифрование биткоина, могут появиться еще через 10-20 лет, но гонка уже началась. Артур Герман, исследователь из Института Хадсона, предупредил, что квантовые хакерские атаки сродни бомбе замедленного действия. Как только они произойдут, они могут привести к убыткам в размере до 3 триллионов долларов рыночной стоимости и потенциально спровоцировать финансовый кризис. По мере того, как стоимость биткоина приближается к 100 000 долларов, он становится все более привлекательной мишенью для хакеров. Для блокчейн-сообщества, академических институтов и государственных регуляторов будет крайне важно сотрудничать в продвижении постквантовой криптографии (PQC) и модернизации существующей инфраструктуры блокчейна, тем самым защищая цифровые активы. В этой гонке со временем те, кто предпринимает упреждающие шаги, будут иметь наилучшие возможности для процветания в квантовую эру.