Mengapa fisika quantum computing yang membingungkan pikiran menjadi menakutkan untuk bitcoin dan crypto

Minggu ini, Google menerbitkan sebuah makalah yang menjelaskan bagaimana komputer kuantum secara teoritis dapat menurunkan kunci privat bitcoin dalam 9 menit, dengan konsekuensi yang meluas ke Ethereum, token lain, perbankan pribadi, dan berpotensi segala sesuatu di dunia.

Komputasi kuantum mudah disalahartikan sebagai versi yang lebih cepat dari komputer biasa. Tetapi ini bukan chip yang lebih kuat atau server farm yang lebih besar. Ini adalah jenis mesin yang secara fundamental berbeda, berbeda pada tingkat atom itu sendiri.

Komputer kuantum dimulai dengan loop logam yang sangat dingin dan sangat kecil di mana partikel mulai berperilaku dengan cara yang tidak mereka lakukan dalam kondisi normal di Bumi, cara yang mengubah apa yang kita anggap sebagai aturan dasar fisika.

Memahami apa artinya itu, secara fisik, adalah perbedaan antara membaca tentang ancaman kuantum dan benar-benar memahaminya.

Bagaimana komputer dan komputer kuantum sebenarnya bekerja

Komputer biasa menyimpan informasi sebagai bit — masing-masing adalah 0 atau 1. Bit adalah sakelar kecil. Secara fisik, itu adalah transistor pada "chip" — gerbang mikroskopis yang membiarkan listrik lewat (1) atau tidak (0).

Setiap foto, setiap transaksi bitcoin, setiap kata yang pernah Anda ketik disimpan sebagai pola dari sakelar-sakelar ini yang menyala atau mati. Tidak ada yang misterius tentang bit; itu adalah objek fisik dalam salah satu dari dua keadaan pasti.

Setiap perhitungan hanyalah mengacak 0 dan 1 ini dengan sangat cepat. Chip modern dapat melakukan miliaran perhitungan ini per detik, tetapi tetap melakukannya satu per satu, secara berurutan.

Komputer kuantum menggunakan sesuatu yang dikenal sebagai qubit alih-alih bit. Qubit dapat berupa 0, 1, atau — dan ini adalah bagian yang aneh — keduanya pada saat yang sama!

Ini dimungkinkan karena qubit adalah jenis objek fisik yang sama sekali berbeda. Versi yang paling umum, dan yang digunakan Google, adalah loop kecil logam superkonduktor yang didinginkan hingga sekitar 0,015 derajat di atas nol mutlak, lebih dingin dari luar angkasa tetapi di sini di Bumi.

Pada suhu itu, listrik mengalir melalui loop tanpa hambatan apa pun, dan arus dikatakan ada dalam keadaan kuantum.

Dalam loop superkonduktor, arus dapat mengalir searah jarum jam (sebut itu 0) atau berlawanan arah jarum jam (sebut itu 1). Tetapi pada skala kuantum, arus tidak harus memilih satu arah dan benar-benar mengalir dalam kedua arah secara bersamaan.

Jangan salah mengartikannya sebagai beralih antara keduanya dengan sangat cepat. Arus secara terukur, eksperimental, dan terverifikasi berada dalam kedua keadaan secara bersamaan.

Fisika yang membingungkan pikiran

Mengikuti sejauh ini? Bagus, karena di sinilah menjadi benar-benar aneh, karena fisika di balik cara kerjanya tidak langsung intuitif, dan memang tidak seharusnya demikian.

Segala sesuatu yang berinteraksi dengan seseorang dalam kehidupan sehari-hari mematuhi fisika klasik, yang mengasumsikan bahwa hal-hal berada di satu tempat pada satu waktu. Tetapi partikel tidak berperilaku seperti ini pada skala subatomik.

Elektron tidak memiliki posisi pasti sampai Anda melihatnya. Foton tidak memiliki polarisasi pasti sampai Anda mengukurnya. Arus dalam loop superkonduktor tidak mengalir dalam arah pasti sampai Anda memaksanya untuk memilih.

Alasan kita tidak mengalami ini dalam kehidupan sehari-hari adalah dekoherensi. Ketika sistem kuantum berinteraksi dengan lingkungannya, molekul udara, panas, getaran, dan cahaya, superposisi runtuh hampir seketika.

Sepak bola tidak bisa berada di dua tempat sekaligus karena berinteraksi dengan triliunan molekul udara, debu, suara, panas, gravitasi, dll., setiap nanodetik. Tetapi isolasi arus kecil dalam vakum mendekati nol mutlak, lindungi dari setiap gangguan yang mungkin, dan perilaku kuantum bertahan cukup lama untuk dihitung.

Itulah mengapa komputer kuantum sangat sulit dibangun. Orang-orang merekayasa lingkungan fisik di mana hukum fisika yang biasanya mencegah hal ini terjadi ditahan cukup lama untuk menjalankan perhitungan.

Mesin Google beroperasi dalam lemari es dilusi seukuran ruangan besar, lebih dingin dari apa pun di alam semesta alami, dikelilingi oleh lapisan pelindung terhadap kebisingan elektromagnetik, getaran, dan radiasi termal.

Dan qubit sangat rapuh bahkan saat itu. Mereka kehilangan keadaan kuantum mereka secara konstan, itulah mengapa "koreksi kesalahan" mendominasi setiap percakapan tentang peningkatan skala.

Jadi komputasi kuantum bukan versi yang lebih cepat dari komputasi klasik. Ini memanfaatkan seperangkat hukum fisika yang berbeda yang hanya berlaku pada skala yang sangat kecil, suhu yang sangat rendah, dan kerangka waktu yang sangat singkat.

Sekarang tumpuk itu.

Dua bit biasa dapat berada dalam salah satu dari empat keadaan (00, 01, 10, 11), tetapi hanya satu pada satu waktu (karena arus mengalir hanya dalam satu arah). Dua qubit dapat mewakili semua empat keadaan sekaligus, karena arus mengalir dalam semua arah pada saat yang sama.

Tiga qubit mewakili delapan keadaan. Sepuluh qubit mewakili 1.024. Lima puluh qubit mewakili lebih dari satu kuadriliun. Angka berlipat ganda dengan setiap qubit yang ditambahkan, itulah mengapa penskalaan sangat eksponensial.

Trik kedua adalah sesuatu yang disebut keterikatan. Ketika dua qubit terikat, mengukur satu secara instan memberi tahu pengamat sesuatu tentang yang lain, tidak peduli seberapa jauh mereka terpisah. Ini memungkinkan komputer kuantum berkoordinasi di semua keadaan simultan tersebut dengan cara yang tidak dapat dilakukan komputasi paralel biasa.

Dan komputer kuantum ini diatur sedemikian rupa sehingga jawaban yang salah saling meniadakan (seperti gelombang yang tumpang tindih yang merata) dan jawaban yang benar saling memperkuat (seperti gelombang yang menumpuk lebih tinggi). Pada akhir perhitungan, jawaban yang benar memiliki probabilitas tertinggi untuk diukur.

Jadi ini bukan kecepatan brute-force. Ini adalah pendekatan yang secara fundamental berbeda untuk perhitungan — yang memungkinkan alam menjelajahi ruang kemungkinan yang sangat besar secara eksponensial dan kemudian runtuh ke jawaban yang benar melalui fisika daripada logika.

Ancaman monumental terhadap kriptografi

Fisika yang membingungkan pikiran ini adalah mengapa itu menakutkan untuk enkripsi.

Matematika yang melindungi bitcoin bergantung pada asumsi bahwa memeriksa setiap kunci yang mungkin akan memakan waktu lebih lama dari usia alam semesta.

Tetapi komputer kuantum tidak memeriksa setiap kunci. Ini mengeksplorasi semuanya secara bersamaan dan menggunakan interferensi untuk memunculkan yang benar.

Di situlah terkait dengan Bitcoin. Pergi satu arah, dari kunci privat ke kunci publik, memakan waktu milidetik. Pergi ke arah lain, dari kunci publik kembali ke kunci privat, akan memakan waktu komputer klasik satu juta tahun, atau bahkan lebih lama dari usia alam semesta. Asimetri itu adalah satu-satunya hal yang membuktikan bahwa seseorang memegang koin mereka.

Komputer kuantum yang menjalankan algoritma yang disebut Shor dapat melewati pintu jebakan itu secara terbalik. Makalah Google minggu ini menunjukkan bahwa itu dapat melakukannya dengan sumber daya yang jauh lebih sedikit daripada yang diperkirakan siapa pun sebelumnya, dan dalam kerangka waktu yang berlomba melawan konfirmasi blok bitcoin itu sendiri.

Inilah mengapa ancaman komputer kuantum memecahkan enkripsi blockchain benar-benar membuat semua orang sangat khawatir.

Bagaimana serangan itu bekerja langkah demi langkah, apa yang secara khusus diubah oleh makalah Google, dan apa artinya untuk 6,9 juta bitcoin yang sudah terekspos, adalah subjek dari bagian berikutnya dalam seri ini.