Warum die verblüffende Physik des Quantencomputings für Bitcoin und Krypto beängstigend ist

Diese Woche veröffentlichte Google ein Papier, das beschreibt, wie ein Quantencomputer theoretisch einen Bitcoin-Privatschlüssel in 9 Minuten ableiten könnte, mit Auswirkungen, die sich auf Ethereum, andere Token, das Privatbankwesen und möglicherweise alles auf der Welt erstrecken.

Quantencomputing wird leicht mit einer schnelleren Version eines normalen Computers verwechselt. Aber es ist kein leistungsfähigerer Chip oder eine größere Serverfarm. Es ist eine grundlegend andere Art von Maschine, anders auf der Ebene des Atoms selbst.

Ein Quantencomputer beginnt mit einer sehr kalten, sehr kleinen Metallschleife, in der sich Teilchen auf eine Weise zu verhalten beginnen, die sie unter normalen Bedingungen auf der Erde nicht tun, auf eine Weise, die verändert, was wir als die grundlegenden Regeln der Physik betrachten.

Zu verstehen, was das physisch bedeutet, ist der Unterschied zwischen dem Lesen über die Quantenbedrohung und dem tatsächlichen Begreifen.

Wie Computer und Quantencomputer tatsächlich funktionieren

Normale Computer speichern Informationen als Bits – jedes ist entweder eine 0 oder eine 1. Ein Bit ist ein winziger Schalter. Physisch ist es ein Transistor auf einem „Chip" – ein mikroskopisches Tor, das entweder Strom durchlässt (1) oder nicht (0).

Jedes Foto, jede Bitcoin-Transaktion, jedes Wort, das Sie jemals getippt haben, wird als Muster dieser Ein- oder Ausgeschalteten Schalter gespeichert. Es gibt nichts Geheimnisvolles an einem Bit; es ist ein physisches Objekt in einem von zwei definitiven Zuständen.

Jede Berechnung ist nur ein sehr schnelles Verschieben dieser 0en und 1en. Ein moderner Chip kann Milliarden davon pro Sekunde durchführen, aber er macht sie immer noch nacheinander, der Reihe nach.

Quantencomputer verwenden etwas, das als Qubits bekannt ist, anstelle von Bits. Ein Qubit kann 0, 1 oder – und das ist der seltsame Teil – beides gleichzeitig sein!

Dies ist möglich, da ein Qubit eine völlig andere Art von physischem Objekt ist. Die gängigste Version, und die, die Google verwendet, ist eine winzige Schleife aus supraleitendem Metall, die auf etwa 0,015 Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wird, kälter als der Weltraum, aber hier auf der Erde.

Bei dieser Temperatur fließt Elektrizität durch die Schleife ohne jeglichen Widerstand, und der Strom soll in einem Quantenzustand existieren.

In der supraleitenden Schleife kann Strom im Uhrzeigersinn (nennen wir das 0) oder gegen den Uhrzeigersinn (nennen wir das 1) fließen. Aber auf Quantenskalen muss sich der Strom nicht für eine Richtung entscheiden und fließt tatsächlich gleichzeitig in beide Richtungen.

Verwechseln Sie es nicht damit, dass er sehr schnell zwischen den beiden wechselt. Der Strom ist messbar, experimentell und nachweislich gleichzeitig in beiden Zuständen.

Verblüffende Physik

Sind Sie noch dabei? Großartig, denn hier wird es wirklich seltsam, denn die Physik dahinter, wie es funktioniert, ist nicht sofort intuitiv, und das soll sie auch nicht sein.

Alles, womit jemand im täglichen Leben interagiert, gehorcht der klassischen Physik, die davon ausgeht, dass Dinge zu einer Zeit an einem Ort sind. Aber Teilchen verhalten sich auf subatomarer Ebene nicht so.

Ein Elektron hat keine definitive Position, bis Sie es betrachten. Ein Photon hat keine definitive Polarisation, bis Sie es messen. Ein Strom in einer supraleitenden Schleife fließt nicht in eine definitive Richtung, bis Sie ihn zwingen, eine zu wählen.

Der Grund, warum wir dies im Alltag nicht erleben, ist Dekohärenz. Wenn ein Quantensystem mit seiner Umgebung interagiert, Luftmoleküle, Wärme, Vibrationen und Licht, bricht die Überlagerung fast sofort zusammen.

Ein Fußball kann nicht an zwei Orten gleichzeitig sein, weil er jede Nanosekunde mit Billionen von Luftmolekülen, Staub, Schall, Wärme, Schwerkraft usw. interagiert. Aber isolieren Sie einen winzigen Strom in einem nahezu absoluten Nullpunkt-Vakuum, schirmen Sie ihn von jeder möglichen Störung ab, und das Quantenverhalten überlebt lange genug, um damit zu rechnen.

Deshalb sind Quantencomputer so schwer zu bauen. Menschen konstruieren physische Umgebungen, in denen die Gesetze der Physik, die normalerweise verhindern, dass so etwas passiert, gerade lange genug in Schach gehalten werden, um eine Berechnung durchzuführen.

Googles Maschinen arbeiten in Verdünnungskühlschränken von der Größe riesiger Räume, kälter als alles im natürlichen Universum, umgeben von Schichten der Abschirmung gegen elektromagnetisches Rauschen, Vibration und Wärmestrahlung.

Und die Qubits sind selbst dann fragil. Sie verlieren ständig ihren Quantenzustand, weshalb „Fehlerkorrektur" jedes Gespräch über Skalierung dominiert.

Quantencomputing ist also keine schnellere Version des klassischen Computing. Es nutzt einen anderen Satz physikalischer Gesetze, die nur bei extrem kleinen Maßstäben, extrem niedrigen Temperaturen und extrem kurzen Zeiträumen gelten.

Jetzt stapeln Sie das.

Zwei normale Bits können in einem von vier Zuständen sein (00, 01, 10, 11), aber nur einem zur Zeit (da Strom nur in eine Richtung fließt). Zwei Qubits können alle vier Zustände gleichzeitig darstellen, da der Strom gleichzeitig in alle Richtungen fließt.

Drei Qubits repräsentieren acht Zustände. Zehn Qubits repräsentieren 1.024. Fünfzig Qubits repräsentieren über eine Billiarde. Die Zahl verdoppelt sich mit jedem hinzugefügten Qubit, weshalb die Skalierung so exponentiell ist.

Der zweite Trick ist etwas, das Verschränkung genannt wird. Wenn zwei Qubits verschränkt sind, sagt das Messen des einen einem Beobachter sofort etwas über das andere, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Dies ermöglicht es einem Quantencomputer, über all diese simultanen Zustände hinweg zu koordinieren, auf eine Weise, die reguläres paralleles Computing nicht kann.

Und diese Quantencomputer sind so eingerichtet, dass sich falsche Antworten gegenseitig aufheben (wie sich überlappende Wellen, die sich abflachen) und richtige Antworten sich gegenseitig verstärken (wie Wellen, die sich höher stapeln). Am Ende der Berechnung hat die richtige Antwort die höchste Wahrscheinlichkeit, gemessen zu werden.

Es ist also keine Brute-Force-Geschwindigkeit. Es ist ein grundlegend anderer Ansatz zur Berechnung – einer, der die Natur einen exponentiell großen Raum von Möglichkeiten erkunden lässt und dann durch Physik statt durch Logik zur richtigen Antwort kollabiert.

Eine monumentale Bedrohung für die Kryptographie

Diese verblüffende Physik ist der Grund, warum sie für die Verschlüsselung erschreckend ist.

Die Mathematik, die Bitcoin schützt, beruht auf der Annahme, dass das Überprüfen jedes möglichen Schlüssels länger dauern würde als das Alter des Universums.

Aber ein Quantencomputer überprüft nicht jeden Schlüssel. Er erkundet sie alle gleichzeitig und nutzt Interferenz, um den richtigen hervorzubringen.

Dort bindet es sich an Bitcoin. In eine Richtung zu gehen, vom privaten Schlüssel zum öffentlichen Schlüssel, dauert Millisekunden. In die andere Richtung zu gehen, vom öffentlichen Schlüssel zurück zum privaten Schlüssel, würde einen klassischen Computer eine Million Jahre kosten, oder sogar länger als das Alter des Universums. Diese Asymmetrie ist das Einzige, was beweist, dass eine Person ihre Coins hält.

Ein Quantencomputer, der einen Algorithmus namens Shor ausführt, kann diese Falltür rückwärts durchlaufen. Googles Papier zeigte diese Woche, dass es dies mit weit weniger Ressourcen tun könnte, als irgendjemand zuvor geschätzt hatte, und innerhalb eines Zeitrahmens, der gegen Bitcoins eigene Blockbestätigung antritt.

Deshalb macht die Bedrohung, dass Quantencomputer die Blockchain-Verschlüsselung brechen, wirklich jeden sehr besorgt.

Wie dieser Angriff Schritt für Schritt funktioniert, was Googles Papier speziell verändert hat und was es für die 6,9 Millionen bereits exponierten Bitcoin bedeutet, ist das Thema des nächsten Teils dieser Serie.