tiêu đề cấp đầu tiên

Máy tính lượng tử sẽ phá vỡ chuỗi khối hay làm cho nó an toàn hơn?

Khi nói đến tương lai của điện toán, blockchain và điện toán lượng tử là hai trong số những ngành hấp dẫn và gây tranh cãi nhất. Mặc dù chuỗi khối tiên tiến hơn nhiều trong các ứng dụng thực tế của nó -- bao gồm cả việc tạo ra tiền điện tử và mật mã có thể được sử dụng bởi các cá nhân và doanh nghiệp -- ngành công nghiệp điện toán lượng tử cũng đang phát triển với tốc độ chóng mặt. Trên thực tế, tốc độ tăng trưởng của ngành điện toán lượng tử có thể chỉ đứng sau blockchain và ngành này dự kiến ​​sẽ tăng trưởng với tốc độ 25% mỗi năm từ năm 2022 đến năm 2027.

Một số chuyên gia tin rằng những tiến bộ trong điện toán lượng tử có thể là khởi đầu cho sự kết thúc của chuỗi khối; vì máy tính lượng tử có thể phá vỡ mã hóa của ngay cả những chuỗi khối tiên tiến nhất. Ngoài ra, máy tính lượng tử theo một số cách có thể thay thế các chuỗi khối như một cách tiên tiến hơn đối với dữ liệu chứng minh trong tương lai.

Tuy nhiên, mối quan hệ giữa điện toán lượng tử và chuỗi khối không nhất thiết phải là đối nghịch; một số nhà nghiên cứu tin rằng điện toán lượng tử và công nghệ chuỗi khối cuối cùng sẽ hội tụ. Điều này có thể tạo ra các giải pháp điện toán an toàn hơn, nhanh hơn và có khả năng mang tính cách mạng mà cuối cùng có thể giúp giải quyết nhiều vấn đề về mật mã và trong thế giới thực.

Mục lục

• Mục lục

• Điện toán lượng tử là gì - và nó khác với chuỗi khối như thế nào?

• Điện toán lượng tử sẽ phá vỡ chuỗi khối và kết thúc tiền điện tử?

• Máy tính lượng tử có thể được tích hợp hoặc tăng cường với các chuỗi khối trong tương lai không?

• Sổ cái kháng lượng tử là gì?

• Bitcoin hậu lượng tử là gì?

Tương lai của điện toán lượng tử và chuỗi khối là gì?

Điện toán lượng tử là gì - và nó khác với chuỗi khối như thế nào?

Đối với những người có thể không quen thuộc, điện toán lượng tử là một loại điện toán độc đáo sử dụng "trạng thái lượng tử" để giải quyết các vấn đề logic đòi hỏi sức mạnh xử lý đáng kinh ngạc hoặc gần như không thể giải quyết bằng siêu máy tính thông thường. Thay vì phân tích từng tập hợp câu hỏi như siêu máy tính truyền thống, máy tính lượng tử có thể phân tích đồng thời một số lượng lớn các câu hỏi và câu trả lời tiềm năng. Những máy tính này khai thác sức mạnh của vật lý lượng tử để giảm thiểu số lượng câu trả lời có khả năng sai với tốc độ đáng kinh ngạc, đồng thời mài giũa các câu trả lời có khả năng đúng với tốc độ đáng kinh ngạc.

Các máy tính hiện tại, thường được gọi là máy tính cổ điển, bao gồm các bit là 1 hoặc 0, nhưng không phải cả hai. Máy tính lượng tử không được tạo thành từ các bit, mà là các qubit, cho phép các bit đó tồn tại ở hai trạng thái cùng một lúc, nhờ một khái niệm gọi là chồng chất lượng tử. Ngoài ra, không giống như các bit thông thường, các qubit có thể ảnh hưởng lẫn nhau trong một quá trình gọi là rối lượng tử, tạo ra một trạng thái lượng tử lớn cho toàn bộ hệ thống máy tính. Mỗi qubit bổ sung sẽ nhân đôi số lượng trạng thái tiềm năng cho một máy tính và những máy tính này có sức mạnh tính toán khổng lồ so với các máy tính cổ điển.

Ngoài việc giải quyết các vấn đề cực kỳ phức tạp, điện toán lượng tử còn có tiềm năng đáng kinh ngạc để thay đổi thế giới mã hóa. Do bản chất của vật lý lượng tử và các trạng thái lượng tử, trạng thái của thông tin cụ thể thực sự thay đổi khi nó được quan sát. Do đó, về lý thuyết, mã hóa lượng tử có thể thực sự không thể phá vỡ, vì trạng thái của bất kỳ thông tin nào sẽ bị thay đổi không thể đảo ngược nếu được xem bởi bất kỳ ai (hoặc bất kỳ máy nào) không phải bên dự kiến. Tuy nhiên, giống như điện toán lượng tử có thể tạo ra mã hóa mạnh mẽ, nó cũng có khả năng phá vỡ các dạng mã hóa không thể phá vỡ trước đây, khiến nó có khả năng mâu thuẫn với toàn bộ mục đích của chuỗi khối.

Các công ty như IBM hiện đang sử dụng máy tính lượng tử để giải quyết nhiều vấn đề khác nhau, chẳng hạn như phát triển pin có mật độ năng lượng cao hơn cho xe điện, phát triển vật liệu mới có thể giảm lượng khí thải carbon và thậm chí tìm ra các hạt có thể tiết lộ nguồn gốc của vũ trụ.

Trái ngược với điện toán lượng tử, chuỗi khối có thể được mô tả như một tập hợp các công nghệ sổ cái phân tán sử dụng mật mã để tạo sổ cái thông tin không thể thay đổi một cách hiệu quả sau khi được xác minh bởi một loạt máy tính phân tán, được gọi là các nút. Sử dụng các cơ chế đồng thuận khác nhau, một mạng lưới các nút phân tán đồng ý hoặc không đồng ý để "xác thực" một khối thông tin, thêm nó vào chuỗi khối. Các chuỗi khối trực tiếp thuộc lĩnh vực điện toán cổ điển, có nghĩa là các chuỗi khối sẽ chỉ ở một trạng thái duy nhất tại một thời điểm nào đó.

Như ngành công nghiệp đã chứng minh, công nghệ chuỗi khối là một công cụ tuyệt vời để tạo các ứng dụng phân tán thông qua các hợp đồng thông minh tự thực hiện, bao gồm tiền tệ kỹ thuật số, giao thức hậu cần và lưu giữ hồ sơ cũng như các sản phẩm tài chính khác nhau. Chúng bao gồm cho vay, đặt cược, khai thác thanh khoản và thậm chí cả các giao thức bảo hiểm phân tán.

Tuy nhiên, do những hạn chế của mạng, các chuỗi khối không nhất thiết phải giải quyết tốt các vấn đề đòi hỏi khả năng giải quyết vấn đề tính toán cao. Trên thực tế, tốc độ giao dịch chậm là một trong những vấn đề lớn nhất trong các chuỗi khối hiện nay, với các chuỗi khối mới hơn đang chạy đua để cung cấp các giải pháp có thể chạy ở tốc độ giao dịch cao hơn mỗi giây (TPS). Ngược lại, điện toán lượng tử có tiềm năng lớn để giải quyết một số vấn đề lớn, nan giải tồn tại trong khoa học và công nghệ, nhưng nó không nhất thiết là một công cụ tốt để tạo các ứng dụng tiêu dùng mà người bình thường sử dụng.

Vì vậy, thật an toàn khi nói rằng điện toán lượng tử là hai công nghệ rất khác nhau, nhưng sự tương tác của chúng có thể thay đổi cả hai ngành mãi mãi.

Điện toán lượng tử sẽ phá vỡ chuỗi khối và kết thúc tiền điện tử?

Khi nói đến điện toán lượng tử và chuỗi khối, mối quan tâm chính là máy tính lượng tử có thể áp đảo mã hóa chuỗi khối — dẫn đến sự kết thúc của tiền điện tử an toàn như chúng ta biết. Nếu mật mã lượng tử có thể áp đảo mật mã chuỗi khối, thì nó có thể dẫn đến hành vi trộm cắp tiền điện tử lớn và sự gián đoạn lớn, ngay cả khi toàn bộ ngành công nghiệp tiền điện tử không sụp đổ.

Theo một nghiên cứu của Deloitte, một cuộc tấn công có thể đánh cắp 25% tổng số Bitcoin. Con số này sẽ đạt khoảng 300 tỷ đô la vào tháng 1 năm 2022 và khi quy mô của thị trường tiền điện tử tiếp tục tăng lên đáng kể, các tin tặc mã hóa dựa trên máy tính lượng tử cuối cùng có thể đánh cắp hàng nghìn tỷ đô la, có khả năng khiến nền kinh tế toàn cầu rơi vào tình trạng hỗn loạn và trong quá trình đó, phá hủy toàn bộ chuỗi khối.

Cụ thể, một thuật toán máy tính lý thuyết nổi tiếng được gọi là hàm Shor, khi được thực hiện bởi một máy tính lượng tử, về mặt lý thuyết có thể giải quyết các thừa số nguyên tố hiện đang bị ẩn bởi phép nhân đường cong elip. Đây là một dạng phép nhân được sử dụng để băm và (hiện tại) hầu như không thể đảo ngược (tức là khám phá các số ban đầu được nhân với nhau để tạo thành khóa riêng).

Ví dụ: các nhà nghiên cứu đã tính toán rằng một máy tính cổ điển sẽ yêu cầu 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 thao tác cơ bản để xác định khóa riêng được liên kết với khóa chung bằng cách sử dụng phép nhân đường cong elip. Về lý thuyết, điều này có thể mất hàng ngàn năm.

Ngược lại, một máy tính lượng tử sử dụng chức năng của Shor sẽ chỉ cần 2.097.152 thao tác cơ bản để xác định khóa riêng được liên kết với khóa chung, dựa trên các tính toán tương tự. Ngược lại, điều này có thể chỉ mất vài giờ. Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhận ra là khả năng khai thác các chức năng của Shor vẫn chưa được phát triển trong các máy tính lượng tử chính thống và không rõ khi nào khả năng này sẽ được phát triển đầy đủ.

Ngoài việc phá vỡ mã hóa chuỗi khối, một mối lo ngại khác là máy tính lượng tử có thể thay thế máy tính truyền thống để khai thác tiền điện tử. Theo lý thuyết, nếu những máy tính này có thể khai thác nhanh hơn các thiết bị khai thác truyền thống như ASIC, thì điều đó có thể dẫn đến sự mất ổn định về giá tài sản, các cuộc tấn công 51% và tập trung hóa sức mạnh khai thác. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng đây chủ yếu là mối lo ngại đối với các chuỗi khối bằng chứng công việc như Bitcoin và thường không ảnh hưởng đến các mô hình đồng thuận dựa trên bằng chứng cổ phần. Do những lo ngại về môi trường và các yếu tố khác, hầu hết các chuỗi khối bằng chứng công việc, chẳng hạn như Ethereum, đang chuyển sang mô hình bằng chứng cổ phần và các mô hình đồng thuận khác không liên quan đến khai thác chuyên sâu bằng tính toán.

Bất chấp những tính toán và ước tính này, không phải tất cả các chuyên gia đều tin rằng điện toán lượng tử sẽ có thể bẻ khóa các chuỗi khối một cách hiệu quả và khiến mật mã truyền thống trở nên lỗi thời. Ví dụ, một số người tin rằng mã hóa SHA-256 được sử dụng trong Bitcoin có thể kháng lượng tử. Ngay cả khi máy tính lượng tử có thể phá vỡ các phương pháp mã hóa blockchain hiện tại, thì cũng có thể mất từ ​​10 đến 20 năm, giúp các nhà mật mã blockchain có một khởi đầu thuận lợi trong việc phát triển các phương pháp mã hóa mới, mạnh hơn.

Ngoài ra, mã hóa RSA, giải pháp thay thế phổ biến nhất cho mật mã đường cong elip, cũng có thể có khả năng kháng lượng tử phần nào. Mặc dù mã hóa đường cong elip được coi là an toàn hơn mã hóa RSA khi nói đến giải mã thông thường, nhưng các chuyên gia cho rằng điều ngược lại có thể đúng khi nói đến giải mã lượng tử. Hơn nữa, ngay cả khi RSA kết thúc là "có thể hack lượng tử", thì các nhánh mềm và địa chỉ ví thay đổi liên tục có thể giảm thiểu phần lớn khả năng thực tế của máy tính lượng tử trong việc phá vỡ chuỗi khối hoặc đánh cắp tiền điện tử.

Máy tính lượng tử có thể được tích hợp hoặc tăng cường với các chuỗi khối trong tương lai không?

Trong khi một số người tin rằng điện toán lượng tử có thể phá vỡ các chuỗi khối và tiền điện tử như chúng ta biết, những người khác tin rằng mật mã lượng tử có thể được kết hợp với các chuỗi khối để tạo ra các chuỗi khối an toàn hơn các giao thức ngày nay. Về lý thuyết, các chuỗi khối này sẽ có khả năng chống lại các cuộc tấn công máy tính lượng tử và hack thông thường.

Cụ thể, các chuyên gia tin rằng các phương pháp mật mã blockchain truyền thống, chẳng hạn như thuật toán khóa bất đối xứng và hàm băm sử dụng phép nhân đường cong elip đã nói ở trên, có thể được thay thế bằng khóa lượng tử.

Mật mã khóa lượng tử, còn được gọi là phân phối khóa lượng tử (QKD), hoạt động bằng cách gửi "các hạt lượng tử" ánh sáng dưới dạng photon qua các liên kết quang học. Như chúng tôi đã đề cập trước đó, bất kỳ nỗ lực nào của kẻ nghe lén nhằm xem photon được truyền đi sẽ làm mất hiệu lực giao dịch một cách hiệu quả.

Để thực tế, các khóa lượng tử này cần được sử dụng với mã hóa mật khẩu một lần (OTP), tạo ra các khóa chỉ có thể được sử dụng một lần.

Điện toán lượng tử được trình bày chi tiết trong một bài báo hấp dẫn có tiêu đề "Blockchain lượng tử: Cơ sở dữ liệu phi tập trung, được mã hóa và phân tán dựa trên cơ học lượng tử" của Chuntang Li, Yinsong Xu, Jiahao Tang và Wenjie Liu trên Tạp chí Ứng dụng điện toán lượng tử trong các chuỗi khối tương lai cung cấp các lợi ích khác; đặc biệt là ngẫu nhiên hóa lựa chọn nút, hiện đang là một vấn đề lớn với chuỗi khối. Thay vì sử dụng các phương pháp ngẫu nhiên hóa hiện tại, các giao thức chuỗi khối lượng tử có thể sử dụng các trình tạo số ngẫu nhiên lượng tử để chọn các nút xác thực được chọn ngẫu nhiên.

Bài báo lập luận rằng các chuỗi khối lượng tử cũng có khả năng thay thế giao thức thỏa thuận Byzantine cổ điển bằng một loại giao thức thỏa thuận Byzantine lượng tử mới sẽ sử dụng mã hóa lượng tử. Mặc dù mang tính lý thuyết cao vào thời điểm này, nhưng điều này vừa có thể giúp ngăn chặn các cuộc tấn công 51% vừa tạo ra các loại tiền điện tử mới, có độ an toàn cao dựa trên mật mã lượng tử.

Mặc dù phần lớn những điều trên đề cập đến việc tạo ra các chuỗi khối lượng tử mới, nhưng cũng có khả năng công nghệ lượng tử có thể được áp dụng cho các chuỗi khối hiện có, điều này vừa có thể tăng cường phân cấp vừa giảm độ phức tạp của các chuỗi khối lớn như Bitcoin, Ethereum và Solana. lần giao dịch.

Một vấn đề cơ bản mơ hồ và không được giải quyết trong tài liệu tham khảo là cách các chức năng điện toán lượng tử, bao gồm cả tạo khóa lượng tử, sẽ được phân phối thông qua các toán tử nút. Hiện tại, hầu hết các máy tính lượng tử đều mang tính thử nghiệm cao và cực kỳ tốn kém, điều đó có nghĩa là rất khó để triển khai số lượng lớn các nhà khai thác nút cần thiết cho một chuỗi khối phi tập trung thực sự. Tuy nhiên, điều đó có thể thay đổi; một công ty ở Trung Quốc đã tiết lộ một máy tính lượng tử nhỏ có giá chỉ 5.000 đô la, thấp hơn nhiều so với chi phí hiện tại để chạy một nút ethereum đầy đủ.

Sổ cái kháng lượng tử là gì?

Cho đến nay, chỉ có hai dự án blockchain công khai tuyên bố là hoàn toàn kháng lượng tử, Sổ cái kháng lượng tử và Bitcoin hậu lượng tử. Sổ cái kháng lượng tử (QRL) tự quảng cáo là một "blockchain an toàn hậu lượng tử với sơ đồ chữ ký trạng thái và bảo mật vô song".

Để đạt được điều này, giao thức QRL sử dụng "XMSS do IETF chỉ định, lược đồ chữ ký chuyển tiếp an toàn dựa trên hàm băm với các giả định bảo mật tối thiểu." XMSS là lược đồ chữ ký Merkle mở rộng sử dụng cây Merkle. Đây là những cây mà mỗi nút được gắn thẻ bằng hàm băm mật mã của một khối dữ liệu.

Cây Merkle có thể được định nghĩa là "hàm băm hoàn chỉnh của tất cả các hàm băm của tất cả các giao dịch trong một khối duy nhất trong mạng chuỗi khối hiện có".

Các sơ đồ chữ ký băm dựa trên trạng thái như chữ ký Merkle được coi là có khả năng chống hack lượng tử cao hơn RSA hoặc mật mã đường cong elip. Tuy nhiên, các sơ đồ chữ ký dựa trên trạng thái băm như XMSS có thể dễ bị tổn thương nếu khóa được sử dụng nhiều lần, điều này khiến chúng gặp bất lợi so với các dạng mật mã khác.

Hiện tại, Trung tâm tài nguyên bảo mật máy tính của Viện công nghệ thông tin quốc gia (NIST) đang tích cực thu hút nghiên cứu và đánh giá các kỹ thuật mã hóa này để đánh giá điểm mạnh và điểm yếu tiềm ẩn của chúng đối với mục đích sử dụng dân sự và chính phủ. Ngoài XMSS, NIST hiện đang đánh giá gần 70 phương pháp mới cho "mật mã hậu lượng tử".

Sổ cái kháng lượng tử tuyên bố rằng sơ đồ chữ ký Merkle "mở rộng" của nó hiệu quả hơn và an toàn hơn sơ đồ chữ ký Merkle truyền thống, mặc dù điều này rất khó chứng minh nếu không có máy tính lượng tử hiệu quả thực sự để kiểm tra.

Ngoài việc phát triển một chuỗi khối độc quyền, nhóm đã phát hành tiền điện tử của riêng mình (QRL), tính đến tháng 1 năm 2022 có giá dưới 0,2 đô la và tổng vốn hóa thị trường chỉ hơn 14 triệu đô la. Giống như chuỗi khối mà nó dựa trên, những người tạo ra QRL tuyên bố rằng bản thân tiền điện tử là loại tiền tệ đầu tiên hoàn toàn miễn nhiễm với hack lượng tử. Giống như các loại tiền điện tử khác, QRL có thể được khai thác từ một nút duy nhất hoặc là một phần của nhóm khai thác tham gia.

Bitcoin hậu lượng tử là gì?

Ngoài dự án QRL hơi phổ biến, một dự án blockchain khác, Bitcoin Post-Quantum, cũng tuyên bố sử dụng Lược đồ chữ ký Merkle mở rộng (XMSS) dựa trên trạng thái băm để bảo vệ chính nó khỏi các cuộc tấn công điện toán lượng tử. Cụ thể, BPQ là một nhánh thử nghiệm của chuỗi khối chính của Bitcoin sử dụng chữ ký số an toàn lượng tử thay vì các kỹ thuật mã hóa truyền thống hơn. Nghiên cứu do BPQ thực hiện có thể tạo cơ sở để giới thiệu mật mã kháng lượng tử cho mạng chính Bitcoin trong những năm tới.

Không giống như QRL, BPQ hiện đang ở giai đoạn nghiên cứu nhiều hơn và tiền tệ theo kế hoạch của nó, BitcoinPQ, hiện không được khai thác.

Tương lai của điện toán lượng tử và chuỗi khối là gì?

Tương lai của điện toán lượng tử và chuỗi khối là vô cùng không chắc chắn—và có thể là một trong những yếu tố quyết định tương lai của khoa học máy tính. Chuỗi khối đã giúp dân chủ hóa internet, tạo ra tiền điện tử và tạo ra mạng máy tính phân tán lớn nhất thế giới dưới dạng các chuỗi khối phổ biến như Bitcoin và Ethereum.

Ngược lại, điện toán lượng tử, vẫn đang ở giai đoạn đầu, có khả năng giúp giải quyết nhiều vấn đề khoa học và công nghệ có tác động lớn nhất trong thời đại chúng ta, thúc đẩy công nghệ theo những cách mà chúng ta không thể lường trước được. Nếu điện toán lượng tử và chuỗi khối va chạm với nhau, đó có thể là một thảm họa kinh hoàng. Tuy nhiên, nếu mật mã học tiếp tục phát triển để tạo ra ngày càng nhiều phương thức mã hóa kháng lượng tử hoặc nếu bản thân mã hóa lượng tử được tích hợp vào các chuỗi khối, thì sự kết hợp của các công nghệ đầy hứa hẹn này sẽ giúp tạo ra một mạng Internet an toàn hơn, dân chủ hóa hơn và có nhiều khả năng có tác động tích cực đến thế giới.

• (2022) Forecast size of the quantum computing market worldwide in 2020 and 2027.

• What is quantum computing?.

• Quantum computing will break the blockchain and QKD will save it. Quantum Xchange

• Chaum, D. (2021, Nov.) Without quantum security, our blockchain future is uncertain.

• (2018, Jun.) Elliptic-Curve Cryptography.

• What is Quantum Cryptography (or Quantum Key Distribution)?. ID Quantique.

• Li, C. Xu, Y. Tang, J. Liu, W. (2019) Quantum Blockchain: A Decentralized, Encrypted and Distributed Database Based on Quantum Mechanics. Journal of Quantum Computing

• Tangermann, V. (2021, Feb.) This Quantum Desktop Computer Can Be Yours for $5000. The Byte.

• Quantum Resistant Ledger: The future of post-quantum resistant blockchains. The QRL Foundation.

• Huang, R. (2020, Dec.) Here’s Why Quantum Computing Will Not Break Cryptocurrencies.

• (2022, Jan.) Quantum Resistant Ledger.

• (2019, Feb.) Request for Public Comments on Stateful Hash-Based Signatures (HBS). NIST: Information Technology Laboratory: Computer Security Resource Center.