Kvantno računarstvo: čestice koje ugrožavaju blokčejn

,,Sve ono što nazivamo realnim, sačinjeno je od stvari koje se ne mogu smatrati realnim.”

Nils Bor

Malo šta je toliko zaprepašćujuće, gotovo magijski, kao kvantna mehanika. Ona izvrće intuiciju i prkosi logici do te mere da je Albert Ajnštajn za nju tvrdio da je besmislica i – ispostaviće se – napravio životnu grešku. Jedan drugi genije, Verner Hajzenber čiji bi lik krasio Maunt Rašmor kvantne mehanike, za nju je rekao: “Ne volim je. Žalim što sam ikad imao dodira s njom.”

Reč kvantno je danas sveprisutna. Iako ljudi uglavnom nisu načisto šta ona označava, imaju dovoljno predstave da prema njoj osete neku vrstu strahopoštovanja. Dodajte reč quantum ispred bilo čega i automatski mu dižete vrednost, čak iako je u pitanju potpuna besmislica. 

Kvantno je ukrasni papir alat kojim umotate šarlatanske lekarske aktivnosti i dobijete kvantnu medicinu – lažno svetlo spasa za naivne i bolesne. 

Video sam muški antiperspirant jednog poznatog prozivođača koji je, pogađate, quantum. Dok se pitam kakve tačno veze imaju kvantna mehanika i mazanje potpazušja materijom protiv znojenja, već sam ubacio proizvod u korpu. Sex sells je stari aksiom marketinga. Može se reći da danas i quantum prodaje jednako kao seks u određenim nišama.

Blokčejn i kvantno u istu rečenicu

Na kvantno, konkretnije na kvantno računarstvo ćete naleteti i ako svratite u domen blokčejn tehnologije. Doduše, sentiment je potpuno drugačiji. Kvantno računarstvo predstavlja neku vrstu ahilove pete blokčejna. Ta peta je, doduše, na dugom štapu i može se reći da blokčejn u 2025. Ima opipljivije i prisutnije brige. Ali s vremena na vreme čujemo kako je kvantno računarstvo egzistencijalna pretnja po blokčejn. Nešto poput atomske bombe u rukama šašavih državnika ili AI-ja koji bi se otrgao kontroli.

Koliko ima istine u tome?

U poslednjem delu roadmapa, nazvanom The Splurge koji se fokusira na finalizaciju dugoročnog plana optimizacije Ethereuma, Vitalik se dotiče problema kvantnog računarstva. Konkretnije, on zagovara prelazak sa regularne na kvantno-otpornu kriptografiju. 

Dakle, istine očigledno ima. 

Za početak hajde da vidimo šta su kvantni računari i odakle prositiče ta njihova loša strana.

Simultano nadmašuje paralelno

Računari kakve poznajemo su sačinjeni od nula i jedinica i njihove međusobne isključivosti. Ako je nešto u stanju nula, ne može istovremeno biti u stanju jedan. Koliko logički zgodno to doprinosi da i najmoćniji računari današnjice pate od ograničenosti binarnog jezika – paralelnog izračunavanja koje zahteva mnogo vremena. Za obimne kompleksne proračune potrebne su godine pa i decenije kompluterskog rada. 

No, kada zagazimo u domen kvantnog, stvari postaju čudesno brze. Paralelizam ustupa mesto simultanosti. Ograničenja realnog sveta se sklanjaju pred bizarnim zakonima čestičnog sveta. Biti postaju kjubiti. Nula ili jedan postaje i nula i jedan. Ali i brojne druge kombinacije, kao što se može videti na ilustraciji ispod.

Implikacije ovoga su zaprepašćujuće. Zadatak koji bi najmoćniji računar današnjice rešavao decenijama kvanti računar bi zbrisao u nekoliko sekundi. To je moguće zbog dva fenomena iz kvantnog sveta. 

Osnovni princip kvantne mehanike koji se naziva kvantna superpozicija omogućava da čestice postoje istovremeno u više stanja dok ih ne izmerimo. Najovozemaljskija alegorija koja opisuje kvantnu superpoziiciju je čuvena Šredingerova mačka koja je istovremeno i živa i mrtva dok ne zavirimo u kutiju u kojoj se nalazi. 

Druga magija iz kvantnog sveta koja pospešuje brzinu kvantnih računara je kvantna spletenost. Ovaj možda još bizarniji fenomen kaže da stanje jednog kjubita utiče na stanje drugog, ma koliko udaljeni bili. 

Ova dva fenomena podižu brzinu izračunavanja do neslućenih visina.

Kvantno računarstvo je već sada etablirano istraživačko polje sa čvrstim teorijskim i eksperimentalnim rezultatima. Pored toga, tech kompanije u raznim sektorima sve više eksperimentišu sa rešenjima zasnovanim na kvantnom računarstvu. To nam sad može delovati kao nešto na dugačkom štapu, ali slično je bilo sa veštačkom inteligencijom pre desetak godina. Danas se već čini da svaki programer sa Udemy kursem ima po tri startapa koji rade nešto sa veštačkom inteligencijom. Pejzaž se menja brzinom neslućenih razmera.

Mogućnosti koje se otvaraju ovim kvantim skokom su teško zamislive. Ali i problemi.

Još 2016. godine, američki Nacionalni institut za standarde i tehnologiju (NIST) i Nacionalna agencija za bezbednost (NSA) počeli su da upozoravaju na ozbiljnost kvantne pretnje. Njihovo stanovište je bilo da, ako se ikada izgrade kvantni računari velikih razmera, oni će moći da probiju mnoge od javnih kriptografskih sistema koji se trenutno koriste.

Ako enkripcija postane ranjiva, kvantni računari bi mogli dobiti pristup privatnim ključevima i omogućiti krađu imovine iz kripto novčanika. Tako bi se, na primer, Šorov algoritam (algoritam za razlaganje celih brojeva na proste činioce) mogao koristiti za probijanje protokola javnog ključa u kriptografiji. Suštinski, to bi obezvredilo čitavu industriju.

Najpoznatije blokčejn mreže Bitcoin i Ethereum, oslanjaju se na algoritam javnog ključa sa eliptičnom krivom. Ovaj algoritam, kao i drugi poput RSA i diskretnog logaritma, te ECDSA (Algoritam digitalnog potpisa eliptičnih krivih) i ECDH (Diffie-Hellman protokol eliptičnih krivih) već su dokazano ranjivi na kvantne računare.

Manje-više svi slojevi arhitekture blokčejna mogu u određenoj meri da budu mamac za napade kvantnih računara i zahtevaju velika bezbednosna unapređenja kako bi očuvali robusnost.

• Hardver i infrastruktura: Čvorovi i virtuelni resursi moraju se unaprediti kvantno-kompatibilnim tehnologijama kako bi se osigurala bezbedna integracija.
• Data layer: Ranjivi kriptografski algoritmi čine integritet podataka podložnim kvantnim pretnjama.
• Network layer: Mrežama trebaju rešenja koje nude poboljšanu sigurnost za komunikaciju i razmenu informacija među čvorovima.
• Konsenzus: Kvantni računari mogu iskoristiti ranjivosti u validaciji transakcija i održavanju integriteta blokova.
• Aplikacioni sloj: Kvantno-otporna blokčejn rešenja su neophodna za zaštitu pametnih ugovora i decentralizovanih aplikacija od manipulacije.

Međutim, reč unaprediti je u slučaju kvantnih pretnji veoma skupa, jer su rešenja složena za implementaciju. Primera radi, implementacija jednog od novostandardizovanih (2022) kvantno-otpornih algoritama koje je predložio NIST zahteva drastične promene u svim slojevima arhitekture.

Alternativno, dodavanje kvantno-otpornih potpisa u svaku transakciju moglo bi biti izvodljivije, ali zahteva suštinske promene u konsenzusu, tehnički je teško za implementaciju i moglo bi imati vrlo negativne posledice po korisničko iskustvo, poput značajnog smanjenja propusnosti obrade.

Nova rešenja na vidiku

Kako bi se umanjili rizici povezani sa kvantnim računarstvom u blokčejn tehnologiji, razvija se nekoliko pristupa koji integriše kvantno-otporne kriptografske algoritme u blokčejn protokole. 

Ovde ćemo razmotriti neke aktuelne.

Kvantna kriptografija

Jedno od rešenja je Quantum Key Distribution (QKD), koje koristi principe kvantne mehanike za uspostavljanje sigurnih komunikacionih kanala otpornih na kvantne pretnje.

U okviru rešenja predloženi su različiti modeli, uključujući dvoslojni blokčejn protokol sa QKD i klasičnim heširanjem, kao i Computational Quantum Key Distribution (CQKD) protokol baziran na fotonima za poboljšanu sigurnost i skalabilnost. Alternativni model koristi Quantum Coin i Delegated Proof of Stake (DPoS) za efikasne i sigurne transakcije. Istraživanja razmatraju i potencijal kvantnih blokčejnova, primenjujući kvantnu isprepletanost i hipergrafove stanja za decentralizovane sisteme otporne na manipulaciju.

Postkvantna kriptografija

Postkvantna kriptografija (PQC), koristi tehnike poput šifrovanja zasnovanog na rešetkama, heš funkcija i šifrovanja zasnovanog na identitetu. Unapređenje uključuje digitalne potpise sa manjim ključevima i hibridne sisteme, poput PQFabric za Hyperledger, koji kombinuju kvantnu sigurnost i fleksibilnost.

Jedan od bitnih algoritama je CRYSTALS-Dilithium, digitalni potpis zasnovan na problemima rešetki. Njegova primena osigurava da buduće blokčejn mreže mogu biti zaštićene od kvantnih dekriptorskih metoda.

Kriptografija zasnovana na heširanju

Heš-bazirani potpisi otporni na kvantne napade oslanjaju se na jednostavne heš funkcije koje su sigurnosno postojane protiv kvantnih računara. Stateful šeme, poput Leighton-Micali Signature (LMS) sistema i eXtended Merkle Signature Scheme (XMSS), omogućavaju bezbednost upravljanjem stanjem, kao što je brojač korišćenih ključeva. Ovi algoritmi ne zavise od problema faktorizacije brojeva ili diskretnih logaritama, čime garantuju sigurnost transakcija u kvantnom dobu.

Kvantno-Sigurna Tehnologija Distribuiranih Registara

Na kraju pomenućemo i metodu kvantno-sigurne tehnologije distribuiranih registara (QDLT). Ova tehnologija bi imala široku primenu, posebno u proizvodnji, sigurnim IoT mrežama, finansijama, osiguranju i upravljanju lancima snabdevanja.

Budućnost je (i) kvantna

Poznat je pristup u teoriji igara da je, ako već postoji mogućnost zloupotrebe tehnologije, pametno biti korak ispred onih koji će je sasvim sigurno koristi na takav način. Zato priča o kvantnom računarstvu i njegovim implikacijama ima smisla ma koliko danas zvučala kao epizoda Black Mirror-a. Na stranu što se ponovo vraćamo na potpunu neintuitivnost koju donose i svetla i mračna strana kvantnog sveta. Kako kaže Fajnman “Mislim da sa sigurnošću mogu da kažem da niko ne razume kvantnu mehaniku.” Kako onda da razumemo potencijalne kvantne pretnje?