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In dieser Woche veröffentlichte Google ein Papier, in dem beschrieben wird, wie ein Quantencomputer theoretisch einen Bitcoin-Privatschlüssel ableiten könnte in 9 Minuten, mit Auswirkungen, die sich auf Ethereum, andere Tokens, das Privatkundengeschäft und potenziell auf die gesamte Welt erstrecken.
Quantencomputing lässt sich leicht mit einer schnelleren Version eines herkömmlichen Computers verwechseln. Doch es handelt sich nicht um einen leistungsfähigeren Chip oder einen größeren Serverfarm. Es ist eine grundlegend andere Art von Maschine, die auf Ebene des Atoms selbst anders funktioniert.
Ein Quantencomputer beginnt mit einer sehr kalten, sehr kleinen Metallschleife, in der sich Teilchen auf eine Weise verhalten, wie sie sich unter normalen Bedingungen auf der Erde nicht verhalten – Verhaltensweisen, die die grundlegenden physikalischen Regeln, wie wir sie kennen, verändern.
Zu verstehen, was das physisch bedeutet, ist der Unterschied zwischen dem Lesen über die Quantenbedrohung und ihrem tatsächlichen Begreifen.
Wie Computer und Quantencomputer tatsächlich funktionieren
Reguläre Computer speichern Informationen als Bits – jedes ist entweder eine 0 oder eine 1. Ein Bit ist ein winziger Schalter. Physisch handelt es sich um einen Transistor auf einem „Chip“ – ein mikroskopisches Tor, das entweder Strom durchlässt (1) oder nicht (0).
Jedes Foto, jede Bitcoin-Transaktion, jedes Wort, das Sie je getippt haben, wird als Muster dieser Schalter gespeichert, die ein- oder ausgeschaltet sind. An einem Bit ist nichts Geheimnisvolles; es ist ein physisches Objekt in einem der beiden eindeutigen Zustände.
Jede Berechnung besteht im Wesentlichen darin, diese 0en und 1en sehr schnell umherzuschieben. Ein moderner Chip kann Milliarden davon pro Sekunde ausführen, aber er bearbeitet sie dennoch nacheinander, sequenziell.
Quantencomputer verwenden etwas, das als Qubits bekannt ist, anstelle von Bits. Ein Qubit kann 0, 1 oder — und das ist der ungewöhnliche Teil — beides gleichzeitig sein!
Dies ist möglich, da ein Qubit eine völlig andere Art von physischem Objekt darstellt. Die gebräuchlichste Version, und diejenige, 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 der Strom ohne jeglichen Widerstand durch die Schleife, und der Strom wird als im Quantenzustand befindlich bezeichnet.
Im supraleitenden Kreis kann der Strom im Uhrzeigersinn (bezeichnen wir das als 0) oder gegen den Uhrzeigersinn (bezeichnen wir das als 1) fließen. Auf quantenmechanischer Ebene muss der Strom jedoch keine Richtung wählen und fließt tatsächlich gleichzeitig in beiden Richtungen.
Verwechseln Sie dies nicht mit einem schnellen Wechsel zwischen den beiden Zuständen. Der Strom befindet sich messbar, experimentell und nachweislich gleichzeitig in beiden Zuständen.
Verblüffende Physik
Bis hierhin mitgekommen? Großartig, denn hier wird es wirklich eigenartig, da die Physik hinter der Funktionsweise nicht sofort intuitiv ist und dies auch nicht sein soll.
Alles, womit jemand im täglichen Leben interagiert, unterliegt der klassischen Physik, die davon ausgeht, dass sich Dinge zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort befinden. Auf subatomarer Ebene verhalten sich Teilchen jedoch nicht so.
Ein Elektron hat keine bestimmte Position, bis man es beobachtet. Ein Photon hat keine bestimmte Polarisation, bis man sie misst. Ein Strom in einer supraleitenden Schleife fließt nicht in eine bestimmte Richtung, bis man ihn dazu zwingt, eine zu wählen.
Der Grund, warum wir dies im Alltag nicht erleben, ist Dekohärenz. Wenn ein Quantensystem mit seiner Umgebung, Luftmolekülen, Wärme, Vibrationen und Licht interagiert, kollabiert die Superposition nahezu sofort.
Ein Fußball kann nicht gleichzeitig an zwei Orten sein, da er jede Nanosekunde mit Billionen von Luftmolekülen, Staub, Geräuschen, Wärme, Gravitation usw. interagiert. Isoliert man jedoch einen winzigen Strom in einem nahezu absoluten Vakuum, schützt ihn vor jeglichen Störungen, so bleibt das Quantenverhalten lange genug erhalten, um damit zu rechnen.
Deshalb sind Quantencomputer so schwierig zu bauen. Fachleute entwickeln physikalische Umgebungen, in denen die physikalischen Gesetze, die normalerweise verhindern, dass solche Vorgänge stattfinden, gerade lange genug außer Kraft gesetzt werden, um eine Berechnung durchzuführen.
Die Maschinen von Google arbeiten in Verdünnungskühlern, die so groß wie riesige Räume sind, kälter als alles im natürlichen Universum und umgeben von Schichten zum Schutz gegen elektromagnetische Störungen, Vibrationen und thermische Strahlung.
Und die Qubits sind empfindlich selbst dann. Sie verlieren ständig ihren Quantenzustand, weshalb „Fehlerkorrektur“ alle Gespräche über Skalierung dominiert.
Quantencomputing ist also keine schnellere Version des klassischen Computings. Es nutzt einen anderen Satz physikalischer Gesetze, die nur auf extrem kleinen Skalen, bei extrem niedrigen Temperaturen und innerhalb extrem kurzer Zeiträume gelten.
Nun setzen Sie das alles zusammen.
Zwei herkömmliche Bits können sich in einem von vier Zuständen befinden (00, 01, 10, 11), jedoch nur jeweils in einem einzelnen Zustand (da der Strom nur in eine Richtung fließt). Zwei Qubits können gleichzeitig alle vier Zustände darstellen, da der Strom in alle Richtungen gleichzeitig fließt.
Drei Qubits repräsentieren acht Zustände. Zehn Qubits repräsentieren 1.024. Fünfzig Qubits repräsentieren über eine Billiarde. Die Anzahl verdoppelt sich mit jedem hinzugefügten Qubit, weshalb die Skalierung so exponentiell ist.
Der zweite Trick ist etwas, das als Verschränkung bezeichnet wird. Wenn zwei Qubits verschränkt sind, liefert die Messung des einen sofort eine Information über das andere, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Dies ermöglicht es einem Quantencomputer, über all diese simultanen Zustände hinweg auf eine Weise zu koordinieren, wie es die herkömmliche parallele Datenverarbeitung nicht kann.
Und diese Quantencomputer sind so eingerichtet, dass falsche Antworten sich gegenseitig aufheben (wie sich überlappende Wellen, die sich abflachen) und richtige Antworten sich verstärken (wie Wellen, die sich höher stapeln). Am Ende der Berechnung hat die korrekte Antwort die höchste Wahrscheinlichkeit, gemessen zu werden.
Es handelt sich also nicht um rohe Geschwindigkeit. Es ist ein grundsätzlich anderer Ansatz zur Berechnung – einer, der der Natur ermöglicht, einen exponentiell großen Möglichkeitsraum zu erkunden und dann durch Physik statt Logik zur richtigen Antwort zu gelangen.
Eine monumentale Bedrohung für die Kryptographie
Diese verblüffende Physik ist der Grund, warum sie für die Verschlüsselung beängstigend ist.
Die Mathematik, die Bitcoin schützt, basiert auf der Annahme, dass das Überprüfen jedes möglichen Schlüssels länger dauern würde als das Alter des Universums.
Ein Quantencomputer prüft jedoch nicht jeden Schlüssel einzeln. Er untersucht alle gleichzeitig und nutzt Interferenzen, um den richtigen Schlüssel herauszufiltern.
Hier kommt Bitcoin ins Spiel. In die eine Richtung – vom privaten Schlüssel zum öffentlichen Schlüssel – dauert es Millisekunden. In die andere Richtung – vom öffentlichen Schlüssel zurück zum privaten Schlüssel – würde ein klassischer Computer eine Million Jahre benötigen, 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 Hintertür in umgekehrter Richtung durchlaufen. Googles Veröffentlichung in dieser Woche zeigte, dass dies mit wesentlich weniger Ressourcen möglich ist, als bisher angenommen, und in einem Zeitrahmen, der im Wettlauf mit den eigenen Blockbestätigungen von Bitcoin steht.
Deshalb sorgt die Bedrohung durch Quantencomputer, die Blockchain-Verschlüsselungen knacken könnten, tatsächlich bei allen für große Besorgnis.
Wie dieser Angriff Schritt für Schritt funktioniert, was Googles Papier konkret geändert hat und was das für die bereits exponierten 6,9 Millionen Bitcoin bedeutet, ist Thema des nächsten Beitrags dieser Serie.