Quantum computing för att köra ekonomiska modeller för kryptoadoption

Av många källor, quantum computing (QC), som använder atomiskt "spin" istället för en elektrisk laddning för att representera sina binära 1:or och 0:or, utvecklas i en exponentiell hastighet. Om QC någonsin förverkligas i stor skala kan det vara en välsignelse för det mänskliga samhället, bland annat hjälpa till att förbättra skörden, designa bättre mediciner och konstruera säkrare flygplan. 

Kryptosektorn kan också tjäna pengar. Bara förra veckan, till exempel, simulerade ett Bank of Canada-beställt projekt antagande av kryptovaluta bland kanadensiska finansiella organisationer med hjälp av kvantberäkning. 

"Vi ville testa kraften i kvantberäkning på ett forskningsfall som är svårt att lösa med klassiska datortekniker", säger Maryam Haghighi, chef för datavetenskap vid Bank of Canada, i ett pressmeddelande. 

Men andra oroar sig för att kvantberäkning, med tanke på dess extraordinära "brute force"-kraft, också kan knäcka blockchains kryptografiska struktur, som har tjänat Bitcoin (BTC) så bra sedan starten. Vissa säger faktiskt att det bara är en tidsfråga innan kvantdatorer kommer att kunna identifiera de enorma primtal som är nyckelbeståndsdelar i en privat BTC-nyckel - förutsatt att inga motåtgärder utvecklas. 

I enlighet med dessa linjer, en nyligen publicerad tidning beräknat precis hur mycket kvantkraft som skulle behövas för att duplicera en privat BTC-nyckel, det vill säga "antalet fysiska qubits som krävs för att bryta den 256-bitars elliptiska kurvkrypteringen av nycklar i Bitcoin-nätverket", som förklaras av tidningens författare, som är associerad med University of Sussex. 

För att vara säker kommer detta inte att bli någon lätt uppgift. Bitcoins algoritm som konverterar publika nycklar till privata nycklar är "envägs", vilket innebär att det är enkelt att generera en offentlig nyckel från en privat nyckel men praktiskt taget omöjligt att härleda en privat nyckel från en offentlig nyckel med hjälp av dagens datorer. 

Dessutom skulle allt detta behöva göras på cirka 10 minuter, den genomsnittliga tid som en offentlig nyckel är exponerad eller sårbar på Bitcoin-nätverket. Den förutsätter också att den publika nyckeln är identisk med BTC-adressen, vilket var de flesta i Bitcoins tidiga dagar innan det blev vanligt att använda KECCAK-algoritmen för att "hasha" offentliga nycklar för att generera BTC-adresser. Det uppskattas att ungefär en fjärdedel av befintliga Bitcoin använder icke-hashade offentliga nycklar.

Med tanke på dessa begränsningar uppskattar författarna att 1.9 miljarder qubits skulle behövas för att penetrera en enda privat Bitcoin-nyckel inom 10 minuter. Qubits, eller kvantbitar, är analoga till "bitar" i klassisk datoranvändning. Som jämförelse kan de flesta proto-QC-datorer idag summera 50–100 qubits, även om IBM:s toppmoderna Eagle-kvantprocessor kan hantera 127 qubits. 

Med andra ord, det är 127 qubits mot de 1.9 miljarder som behövs för att knäcka Bitcoins säkerhet med hjälp av en storskalig fångade jonkvantdator, som föreslagits i AVS Quantum Science-dokumentet.

Mark Webber, kvantarkitekt vid Universal Quantum, ett spin-outföretag från University of Sussex, och tidningens huvudförfattare, sade, "Vårt uppskattade krav […] föreslår att Bitcoin bör betraktas som säkert från en kvantattack för nu, men kvantberäkningstekniker skalas snabbt med regelbundna genombrott som påverkar sådana uppskattningar och gör dem till ett mycket möjligt scenario inom de närmaste 10 åren." 

Är hotet verkligt?

Kan Bitcoins säkerhet verkligen vara knäckt? "Jag tror att kvantdatorer kan bryta kryptovaluta," sa Takaya Miyano, professor i maskinteknik vid Japans Ritsumeikan-universitet, till Cointelegraph, "men inte om några år, utan om 10–20 år."

Miyano ledde nyligen ett team som utvecklade ett kaosbaserat strömchiffer designat för att motstå attacker från storskaliga kvantdatorer.

David Chaum, som skrev förra året för Cointelegraph, slog också larm - inte bara för krypto men även för samhället i stort:

"Kanske mest skrämmande för ett samhälle som är så beroende av internet, kvantnivåberäkningar sätter alla våra digitala infrastrukturer på spel. Vårt samtida internet bygger på kryptografi⁠ — användningen av koder och nycklar för att säkra privat kommunikation och lagring av data.”

Under tiden, för kryptovalutor som Bitcoin och Ether (ETH), "för vem detta koncept är grundläggande, kan en tillräckligt kraftfull kvantdator betyda stöld av miljarder dollar i värde eller förstörelse av en hel blockkedja helt och hållet", fortsatte Chaum.

Det finns mer än 4 miljoner BTC "som är potentiellt sårbara för en kvantattack", konsultföretaget Deloitte uppskattningar, ett nummer som omfattar ägare som använder icke-hashade offentliga nycklar eller som återanvänder BTC-adresser, en annan oklok praxis. Med nuvarande marknadspriser uppgår det till cirka 171 miljarder dollar i riskzonen. 

Nyligen: Driver asymmetrisk information kryptons vilda prissvängningar?

"Personligen tror jag att vi för närvarande inte kan göra en bra uppskattning" av den tid det kommer att ta innan kvantdatorer kan bryta BTC:s kryptering, Itan Barmes, kvantsäkerhetsledare på Deloitte Nederländerna och projektstipendiat vid World Economic Forum, sa till Cointelegraph. Men många experter uppskattar idag 10-15 år, sa han. Många av dessa uppskattningar är också för att bryta krypteringen utan tidsbegränsningar. Att göra allt inom 10 minuter blir svårare.

Andra kryptovalutor, inte bara Bitcoin, kan också vara sårbara, inklusive de med proof-of-stake (PoS) valideringsmekanismer; Bitcoin använder ett proof-of-work (PoW)-protokoll. "Om blockchain-protokollet exponerar offentliga nycklar under tillräckligt lång tid, blir det automatiskt sårbart under kvantattacker," sa Marek Narozniak, fysiker och medlem av Tim Byrnes kvantforskningsgrupp vid New York University, till Cointelegraph. "Det kan tillåta en angripare att förfalska transaktioner eller utge sig för att blockera tillverkarnas identitet för PoS-system." 

Dags att förbereda

Det verkar som att kryptoindustrin kan ha ungefär ett decennium på sig att förbereda sig för en potentiell QC-angrepp, och detta är avgörande. Narozniak noterade:

"Det finns mer än tillräckligt med tid för att utveckla kvantsäkra kryptografistandarder och utarbeta lämpliga gafflar för för närvarande använda blockchain-protokoll."

På frågan om han var säker på att post-kvantkryptografi kommer att utvecklas i tid för att motverka hackare innan 10-minutersbarriären bryts, hänvisade Deloittes Barmes till en nyare artikel han medförfattare om kvantrisker för Ethereum-blockkedjan som beskriver två typer av attacker: en lagringsattack och en transitattack. Den första "är mindre komplicerad att utföra, men för att försvara sig mot den behöver du inte nödvändigtvis ersätta kryptografialgoritmen." Å andra sidan sa han till Cointelegraph:

"Transitattacken är mycket svårare att utföra och är också mycket svårare att skydda sig mot. Det finns några kandidatalgoritmer som tros vara resistenta mot kvantattacker. Men de har alla prestandanackdelar som kan vara skadliga för tillämpbarheten och skalbarheten för blockkedjan."

En kapprustning?

Det som utspelar sig på det här området verkar alltså vara ett slags kapprustning – när datorer blir kraftfullare måste defensiva algoritmer utvecklas för att möta hotet. 

"Det här övergripande mönstret är egentligen inget nytt för oss," sa Narozniak. "Vi ser det i andra branscher också." Innovationer introduceras, och andra försöker stjäla dem, så piratskyddsmekanismer utvecklas, som provocerar fram ännu smartare stöldanordningar. 

"Vad som gör detta kvantsäkra kryptografifall lite annorlunda är att kvantalgoritmerna påtvingar en mer drastisk förändring. När allt kommer omkring är dessa enheter baserade på olika fysik och för vissa problem erbjuder de olika beräkningskomplexitet”, tillade Narozniak.

Faktum är att QC använder sig av en kuslig kvalitet av kvantmekaniken där en elektron eller atompartikel kan vara i två tillstånd samtidigt. I klassisk beräkning representerar en elektrisk laddning information som antingen en 0 eller en 1 och som är fixerad, men i kvantberäkning kan en atompartikel vara både en 0 och en 1, eller en 1 och en 1, eller en 0 och en 0, etc. Om denna unika kvalitet kan utnyttjas exploderar datorkraften många gånger, och QC:s utveckling, tillsammans med Shors algoritm – som först beskrevs 1994 som en teoretisk möjlighet, men som snart kommer att bli en omfattande verklighet, tror många – hotar också att spränga isär RSA-kryptering, som används på mycket av internet, inklusive webbplatser och e-post. 

"Ja, det är ett väldigt tufft och spännande vapenlopp," sa Miyano till Cointelegraph. "Attacker - inklusive sidokanalsattacker - mot kryptosystem blir mer och mer kraftfulla, på grund av framstegen i datorer och matematiska algoritmer som körs på maskinerna. Alla kryptosystem kan plötsligt brytas på grund av uppkomsten av en otroligt kraftfull algoritm."

Simulera ekonomiska relationer 

Man ska dock inte nödvändigtvis anta att kvantberäkningens inverkan på kryptosektorn kommer att vara helt skadlig. Samuel Mugel, teknikchef på Multiverse Computing, företaget som ledde det ovan nämnda programmet vid Bank of Canada, förklarade att de i pilotprojektet kunde simulera ett nätverk av finansiella relationer där de beslut som ett företag kan fatta var mycket beroende av beslut från andra företag, och förklarar ytterligare för Cointelegraph:

"Sådana spelteorinätverk är väldigt svåra för normala superdatorer att lösa eftersom mer optimala beteenden kan förbises. Kvantdatorer har sätt att hantera den här typen av problem mer effektivt."

Enheter baserade på kvantmekanik erbjuder potentiellt andra unika möjligheter, tillade Narozniak, "Till exempel, till skillnad från klassiska tillstånd, kan kvanttillstånd inte kopieras. Om digitala tokens representerades med hjälp av kvanttillstånden, skulle no-cloning theoremet automatiskt skydda dem från att förbrukas dubbelt."

Nyligen: Krypto ses som "pengarnas framtid" i inflationssjuka länder

Quantum intrassling kan också användas för att säkra kvantsmarta kontrakt, sa Narozniak. "Tokens kan trasslas ihop under genomförandet av kontraktet vilket gör båda parter sårbara för eventuell förlust om det smarta kontraktet inte utförs som överenskommet."

Utveckla post-kvantkryptografi

Sammantaget verkar hotet mot cryptoverse från quantum computing vara verkligt, men enorm kraft skulle krävas för att bryta mot kryptons underliggande kryptografi, och hackare skulle också behöva arbeta under stränga tidsbegränsningar - med bara 10 minuter på sig att penetrera en privat BTC-nyckel, till exempel. Verkligheten att bryta Bitcoins elliptiska kurvkryptering genom användning av kvantberäkning är också minst ett decennium borta. Men industrin måste komma igång nu med att utveckla avskräckande medel. "Jag skulle säga att vi borde vara redo i tid, men vi måste börja jobba på allvar med det", sa Barmes.

Faktum är att en betydande mängd forskning nu äger rum "i post-kvantkrypto", sa Dawn Song, en professor i datavetenskapsavdelningen vid University of California, Berkeley, till Cointelegraph och tillägger:

"Det är viktigt att vi utvecklar kvantresistent, eller post-kvant, kryptografi så att vi har alternativen redo när kvantdatorer är tillräckligt kraftfulla i verkligheten."