Vi xử lý lượng tử mới nhất của Google,“Willow,”đã thu hút sự chú ý đáng kể từ cộng đồng công nghệ toàn cầu. Sự phát triển đột phá này không chỉ thể hiện những thành tựu mới nhất trong lĩnh vực máy tính lượng tử mà còn đưa ra những cuộc thảo luận quan trọng về tác động tiềm năng của nó đối với an ninh blockchain. Nền tảng của an ninh blockchain nằm trong những thách thức mật mã phức tạp, và sự tiến bộ trong máy tính lượng tử có thể đe dọa nền tảng này. Bài viết này sẽ nghiên cứu sâu hơn về những tác động tiềm năng của chip “Willow” của Google đối với an ninh blockchain.
Theo các báo cáo chính thức [1], Google đã giới thiệu vi mạch máy tính lượng tử mới nhất của mình, “Willow,” và thông báo về hai bước đột phá lớn:
Hãy mở ra những thành tựu này. Hiện tại, chúng ta sẽ tạm gác sang một bên sự đột phá đầu tiên trong việc sửa lỗi cơ bản và tập trung vào điểm thứ hai: tốc độ tính toán. Nếu “Willow” có thể hoàn thành trong năm phút điều mà máy tính siêu vi tính sẽ mất 1.025 năm để đạt được, nó tạo ra một so sánh đầy ấn tượng so với những thách thức mật mã truyền thống.
Ví dụ, hãy xem xét thời gian cần thiết cho một máy tính cổ điển để dùng vũ lực để phá vỡ một khóa mã hóa RSA-2048. Theo ước lượng của John Preskill [2], một máy tính gia đình sẽ cần khoảng 10¹⁶ năm để phá vỡ RSA-2048.
Với khả năng đáng kinh ngạc của “Willow”, nếu nó có thể xử lý các nhiệm vụ mà một siêu máy tính mất 1.025 năm chỉ trong năm phút, có thể dường như dễ dàng để giải quyết các thách thức yêu cầu 10¹⁶ năm. Điều này có nghĩa là vấn đề mật mã của phân tích số nguyên, trên đó RSA dựa, không còn an toàn nữa? Theo cùng một logic, vấn đề logarithm rời rạc trên các đường cong elip, là một khối xây dựng khác của an ninh blockchain, đã được giải quyết chưa? Những suy đoán này gợi ý về một kịch bản mà an ninh blockchain có thể sụp đổ trong một nháy mắt.
Nhưng đó có phải là trường hợp thực sự không?
Hãy đi sâu vào những ý nghĩa thực tế của những phát triển này đối với mật mã học và công nghệ blockchain. (Tiếp tục …)
Máy tính lượng tử có tiềm năng lý thuyết để phá vỡ các thách thức mật mã cổ điển, như vấn đề phân tích số nguyên tố và vấn đề logarith rời rạc, là cơ sở của nhiều hệ thống mã hóa. Nhưng cần bao nhiêu khả năng tính toán lượng tử cụ thể để phá vỡ các thách thức mật mã cụ thể? Hãy khám phá điều này qua các ví dụ sau đây:
Việc phân tích một số nguyên lớn từ một khóa công khai RSA-2048.
Phát sinh một khóa riêng từ khóa công khai trên các đường cong elliptic như Secp256k1, Secp256r1 hoặc Ed25519.
Đối với máy tính cổ điển, cả hai nhiệm vụ đều là không khả thi tính toán. Dựa trên tham số bảo mật tương ứng, mật mã đường cong elliptic (ECC) khá khó phá vỡ hơn RSA. Tuy nhiên, nghiên cứu của Martin và cộng sự [3] cho thấy đối với máy tính lượng tử, tình hình đảo ngược: RSA khó hơn ECC một chút. Để đơn giản, chúng ta xem xét cả hai vấn đề có độ khó tương tự và tập trung vào vấn đề thứ hai.
Vai trò của Secp256k1 và các đường cong tương tự trong Bảo mật Blockchain
Các đường cong Elliptic như Secp256k1, Secp256r1 và Ed25519 được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống blockchain. Vấn đề logarithm rời rạc (DLP) trên các đường cong này tạo thành cột sống của bảo mật blockchain, bao gồm các hệ thống như Bitcoin. Nếu vấn đề này được giải quyết, kẻ tấn công có thể tạo ra các giao dịch trên blockchain theo ý muốn. Rõ ràng, khả năng giải quyết DLP trên đường cong Elliptic sẽ trực tiếp quyết định sự tồn tại của bảo mật blockchain.
Yêu cầu về Tính toán Lượng tử để Phá vỡ DLP
Theo Martin et al. [3], giải quyết vấn đề logarith rời rạc trên một đường cong elliptic được xác định trên một trường order số nguyên tố (với kích thước order nnn bit) sẽ đòi hỏi:
Ví dụ: Phá vỡ đường cong chuẩn NIST P-256
Đối với đường cong P-256 được sử dụng trong nhiều hệ thống mật mã học:
Hậu quả đối với An ninh Blockchain
Một máy tính lượng tử chỉ với 2.330 qubit logic và có khả năng thực thi 1.26×10^{11} cổng Toffoli sẽ đủ để đe dọa hệ thống blockchain. Khả năng này sẽ phá hủy sự an toàn của Bitcoin, Ethereum và hầu hết tất cả các mạng blockchain khác dựa vào ECC để bảo vệ mật mã.
Mặc dù những yêu cầu tài nguyên này đáng sợ, sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ máy tính lượng tử cho thấy rằng việc đạt được những khả năng như vậy có thể không phải là không thể trong dài hạn. Tuy nhiên, ước lượng hiện tại đặt việc thực hiện các hệ thống lượng tử như vậy 15-20 năm vào tương lai, mang lại cho ngành công nghiệp blockchain một cửa sổ quan trọng để phát triển và triển khai mật mã chống lại lượng tử.
Sức mạnh tính toán phi thường của máy tính lượng tử, vượt xa sức mạnh của máy tính cổ điển, nằm ở khả năng tận dụng của chúngsiêu định thể lượng tửvàsong song lượng tửquaquantum bits (qubits). Khác với máy tính cổ điển, dựa vào quá trình tuyến tính, máy tính lượng tử cho phép tính toán phức tạp bằng cách hoạt động trên nhiều trạng thái cùng một lúc. Tuy nhiên, các tính chất độc đáo của qubit cũng đem đến những thách thức đáng kể.
Qubits rất nhạy cảm với tiếng ồn môi trường và sự can thiệp từ bên ngoài, làm cho trạng thái của chúng không ổn định và dễ mất các thuộc tính lượng tử của chúng (hiện tượng được biết đến làsự mất đi tính toàn vẹnLỗi có thể xảy ra ở gần như mọi giai đoạn của quá trình tính toán lượng tử - trong quá trình khởi tạo, duy trì trạng thái, hoạt động cổng lượng tử hay đo kết quả. Những lỗi này có thể làm cho các thuật toán lượng tử không hiệu quả hoặc cho kết quả không chính xác. Do đó, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của qubit để có đượcqubits chất lượng caolà một trong những thách thức cốt lõi trong tính toán lượng tử.
Đối mặt với thách thức: Qubit logic và sửa lỗi
Một trong những chiến lược chính để vượt qua sự không ổn định của qubit là xây dựng các qubit logic, giảm tỷ lệ lỗi bằng cách kết hợp nhiều qubit vật lý với mã sửa lỗi lượng tử. Các mã này, như mã bề mặt và mã Descartes, cho phép phát hiện và sửa lỗi, từ đó nâng cao tính ổn định và đáng tin cậy của các hệ thống lượng tử.
Mỗi qubit logic thông thường yêu cầu từ vài chục đến hàng ngàn qubit vật lý để hỗ trợ. Trong khi qubit logic cải thiện đáng kể tính chịu lỗi của máy tính lượng tử, chúng đến với chi phí là yêu cầu qubit vật lý tăng lên và thuật toán sửa lỗi phức tạp hơn.
Một thách thức then chốt trong việc sửa lỗi lượng tử đã trở thành một rào cản lớn. Ban đầu, các nhà nghiên cứu cho rằng hy sinh thêm các qubit vật lý sẽ cải thiện độ chính xác của qubit logic. Tuy nhiên, thực tế đã chứng minh điều ngược lại. Do tỷ lệ lỗi cao tính cách của các qubit vật lý (từ 10⁻¹ đến 10⁻³), những nỗ lực sửa lỗi sớm ban đầu thường dẫn đến qubit logic có tỷ lệ lỗi cao hơn so với chính các qubit vật lý.
Hiện tượng này, thường được mô tả như “sửa quá nhiều gây ra hỗn loạn”, nhấn mạnh tầm quan trọng của các cụm qubits vật lý chất lượng cao để xây dựng các qubits logic đáng tin cậy.
Mà không có các qubit logic chất lượng cao, việc tính toán lượng tử thực tế vẫn là điều khó đạt được. Giải quyết thách thức này không chỉ đòi hỏi sự tiến bộ trong ổn định qubit vật lý mà còn đòi hỏi đột phá trong các kỹ thuật sửa lỗi lượng tử. Đạt được mục tiêu này là điều cần thiết để mở khóa toàn bộ tiềm năng của tính toán lượng tử và vượt qua những hạn chế hiện tại của nó.
Với hiểu biết vững chắc về những thách thức xung quanh việc tính toán lượng tử, chúng ta có thể đánh giá lại những thành tựu của vi mạch lượng tử của Google, “Willow.”
Một trong những khía cạnh đột phá nhất của “Willow” là khả năng vượt qua những rào cản lâu nay trong việc sửa lỗi lượng tử bằng cách sử dụng mã bề mặt [4][5]. Bằng cách tăng số lượng qubit và tối ưu hóa các kỹ thuật sửa lỗi, “Willow” đã đạt được một mốc lịch sử: biến sửa lỗi từ một quá trình lỗ hổng thành một lợi nhuận ròng.
Hiệu suất của mã bề mặt
Ngoài ra, vi mảng chip ‘Willow’ đã hoàn thành việc tính toán thử nghiệm Mẫu Mạch Ngẫu Nhiên (RCS) trong thời gian dưới năm phút. RCS là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để đánh giá hiệu suất của máy tính lượng tử.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là khoảng cách hiệu suất ấn tượng giữa máy tính lượng tử và siêu máy tính cổ điển trong thử nghiệm này một phần phát sinh từ sự khác biệt cơ bản giữa điện toán lượng tử và điện toán cổ điển. Để hiểu rõ hơn về điều này, chúng ta có thể sử dụng một phép so sánh không hoàn hảo: so sánh “tốc độ của vệ tinh trong không gian” với “tốc độ của ô tô trên mặt đất”.
Hơn nữa, cần nhấn mạnh rằng RCS hiện tại thiếu các kịch bản ứng dụng thực tiễn, chủ yếu phục vụ như một công cụ đánh giá hiệu suất.
Lộ trình Google Quantum Computing
Biểu đồ ở trên minh họa sáu giai đoạn của lộ trình phát triển máy tính lượng tử của Google, nhấn mạnh đường lối quan trọng từ những bước đột phá thử nghiệm đến ứng dụng thực tế quy mô lớn.
Sử dụngBộ xử lý Sycamore, đội đã chứng minh tính toán lượng tử vượt qua tính toán cổ điển. Chỉ trong 200 giây, bộ xử lý hoàn thành một nhiệm vụ mà một siêu máy tính truyền thống sẽ mất 10.000 năm, đặt nền móng cho ưu thế lượng tử. Mục tiêu của giai đoạn này đã được đạt được với một máy tính lượng tử có 54 qubit vật lý.
The Willow chipđược sử dụng để thể hiện nguyên mẫu đầu tiên của một qubit logic, chứng minh rằng việc sửa lỗi lượng tử có thể giảm tỷ lệ lỗi. Bước đột phá này đã mở đường cho việc xây dựng các máy tính lượng tử thực tế quy mô lớn và tạo điều kiện cho khả năng áp dụng lượng tử quy mô trung gian gần kỳ vọng (NISQ) trong tương lai gần. Những mục tiêu cho giai đoạn này cũng đã được đạt được, với máy tính lượng tử đạt được 105 qubit vật lý và tỷ lệ lỗi qubit logic là 10^-3.
Mục tiêu là xây dựng các qubit logic tồn tại lâu dài với tỉ lệ lỗi ít hơn một trên một triệu hoạt động. Để đạt được điều này, cần có sự hiệu chỉnh lỗi lượng tử mạnh mẽ hơn và kiến trúc phần cứng có thể mở rộng hơn. Máy tính lượng tử ở giai đoạn này dự kiến sẽ có 10^3103 qubit vật lý, với tỉ lệ lỗi qubit logic giảm xuống còn 10−6.
Trọng tâm chuyển sang việc thực hiện các hoạt động cổng logic lượng tử ít lỗi, cho phép ứng dụng sửa lỗi lượng tử có ý nghĩa. Dự kiến máy tính lượng tử sẽ đạt tới 10^4104 qubit vật lý trong khi duy trì mức lỗi qubit logic là 10−6.
Hệ thống sẽ mở rộng lên 100 qubit logic và thực hiện các hoạt động cổng chính xác cao, mở khóa hơn ba ứng dụng lỗi dung sai của lượng tử. Dự kiến máy tính lượng tử sẽ có 10^5105 qubit vật lý, với tỷ lệ lỗi qubit logic ở mức 10−610^{-6}10−6.
Mục tiêu cuối cùng là kiểm soát và kết nối 1 triệu qubit, tạo ra một máy tính lượng tử chống lỗi quy mô lớn. Hệ thống này được tưởng tượng sẽ được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế và công nghệ bền vững, với hơn 10 ứng dụng lượng tử biến đổi các ngành công nghiệp khác nhau. Máy tính lượng tử ở giai đoạn này sẽ có 10610^6106 qubit vật lý, với tỷ lệ lỗi qubit logic giảm xuống còn 10−1310^{-13}10−13.
Như đã thảo luận trước đó, việc vượt qua những thách thức mật mã blockchain phổ biến, như vấn đề logarithm rời rạc của đường cong elliptic, yêu cầu khoảng 2.330 qubit logic chất lượng cao và một mạch lượng tử với 1,26×10^{11} cổng Toffoli. Qubit logic phụ thuộc vào việc sửa lỗi lượng tử, với mỗi qubit logic thường cần nhiều qubit vật lý để hỗ trợ. Ví dụ, chip Willow sử dụng khoảng cách mã lỗi là 7, yêu cầu 49 qubit vật lý cho mỗi qubit logic, tổng cộng khoảng 114.170 qubit vật lý.
Tuy nhiên, ước tính này là lạc quan. Khi quy mô và độ sâu của các hoạt động lượng tử tăng lên, yêu cầu nghiêm ngặt về tỷ lệ lỗi qubit logic sẽ nảy sinh. Hiện nay, tỷ lệ lỗi qubit logic của Willow khoảng 10−310^{-3}10−3, xa so với mức cần thiết để giải quyết các vấn đề như vậy. Theo Craig và cộng sự [6], việc giải quyết vấn đề RSA-2048, có độ phức tạp tương tự như vấn đề logarithm rời rạc của đường cong elliptic, đòi hỏi tỷ lệ lỗi qubit logic là 10−1510^{-15}10−15 và khoảng cách mã ít nhất là 27. Điều này có nghĩa là mỗi qubit logic sẽ cần 272=72927^2 = 729272=729 qubit vật lý, tổng cộng hơn 1.698.570 qubit vật lý. Ngoài ra, tỷ lệ lỗi qubit logic cần thiết là 10−1510^{-15}10−15 không chỉ xa so với 10−310^{-3}10−3 của Willow mà còn thấp hơn hai bậc so với tỷ lệ lỗi qubit logic dự kiến cho máy tính lượng tử trong lộ trình giai đoạn 6 của Google.
Dựa trên lộ trình phát triển của Google, chỉ có thể giải quyết được vấn đề logarithm rời rạc của đường cong elip khi máy tính lượng tử đạt Stage 6. Để đạt được mục tiêu này sẽ đòi hỏi sự tiến bộ đáng kể trong chất lượng qubit logic, cùng với việc quản lý hiệu quả và sửa lỗi của một lượng lớn qubit vật lý.
Giả sử có khoảng cách năm giữa Giai đoạn 1 và Giai đoạn 2 và tiến triển ổn định, ước tính sẽ mất từ 15 đến 20 năm cho “Willow” để vượt qua các thách thức mật mã cổ điển. Ngay cả với tầm nhìn lạc quan nhất, cũng tốn ít nhất 10 năm để đạt đến mức độ yêu cầu.
Một khi máy tính lượng tử đạt được sức mạnh tính toán đủ, chúng sẽ có khả năng tận dụng ưu thế bất đối xứng của mình để nhanh chóng đánh đổ cơ chế bảo mật cốt lõi của tiền điện tử. Điều này bao gồm việc đánh cắp các khóa riêng tư của người dùng và kiểm soát tài sản của họ. Trong tình huống như vậy, các mạng tiền điện tử hiện tại sẽ phải đối mặt với sự sụp đổ hệ thống, khiến cho tài sản của người dùng trở nên không được bảo vệ.
Hiện tại, vi mô quantum Willow của Google vẫn đang ở giai đoạn đầu của nghiên cứu máy tính lượng tử và không thể giải quyết các thách thức mật mã như phân tích số nguyên tố lớn và logarit rời rạc của đường cong elliptic. Do đó, nó vẫn chưa đặt ra một mối đe dọa đáng kể đối với an ninh blockchain. Việc phát triển một máy tính lượng tử thực sự hữu ích đối diện với nhiều thách thức kỹ thuật, làm cho điều này trở thành một hành trình dài và gian nan.
Mặc dù công nghệ máy tính lượng tử chưa đe dọa trực tiếp đến tài sản được mã hóa, nhưng sự phát triển nhanh chóng của nó không thể bị bỏ qua. Theo dự báo dựa trên các xu hướng công nghệ hiện tại, dự kiến máy tính lượng tử sẽ vượt qua một số vấn đề kỹ thuật chính trong thập kỷ tới, dần tiến gần đến điểm quan trọng mà chúng có thể đe dọa mật mã truyền thống. Trong kỳ vọng đối mặt với thách thức tiềm năng này, cộng đồng blockchain phải lên kế hoạch và chuẩn bị một cách chủ động để đối phó với tác động công nghệ của kỷ nguyên lượng tử. Để đảm bảo an ninh và ổn định lâu dài của hệ thống blockchain, ba biện pháp chính là cần thiết:
Việc đẩy mạnh nghiên cứu về mật mã chống lại các mối đe dọa của quantum như thuật toán dựa trên lưới và thúc đẩy việc áp dụng tiêu chuẩn toàn cầu của chúng là vô cùng quan trọng. Điều này là ưu tiên hàng đầu trong việc đối phó với các mối đe dọa của quantum và rất quan trọng cho sự an toàn trong tương lai của công nghệ blockchain.
Nỗ lực nên tập trung vào việc xây dựng cơ sở hạ tầng mật mã chống lại các mối đe dọa từ lượng tử mạnh mẽ để cung cấp nền tảng kỹ thuật vững chắc cho an ninh dài hạn của các mạng blockchain. Điều này sẽ đảm bảo hệ thống có thể phản ứng hiệu quả đối với các mối đe dọa từ lượng tử tiềm năng và duy trì hoạt động ổn định.
Cộng đồng Blockchain cũng nên khám phá các ứng dụng tiềm năng của máy tính lượng tử, chẳng hạn như tối ưu hóa tính toán trên chuỗi, cải thiện hiệu suất lập lịch tài nguyên và tăng cường bảo vệ quyền riêng tư. Những đổi mới này có thể mang đến động lực tăng trưởng mới cho công nghệ blockchain.
Mặc dù việc áp dụng rộng rãi của máy tính lượng tử vẫn chưa được thực hiện, nhưng việc chúng đến sẽ là không thể tránh khỏi. Trong ngữ cảnh này, các khung chứng thực bảo mật của blockchain dựa trên mật mã truyền thống sẽ dần bị thay thế bằng các đảm bảo bảo mật dựa trên mật mã chống lại lượng tử.
Các công ty như Safeheron đã hợp tác với các cơ sở giáo dục để nghiên cứu các thuật toán chống lại lượng tử một cách tích cực, đặt nền tảng cho sự tiến hóa công nghệ của bảo mật tài sản kỹ thuật số. Ngoài ra, hệ sinh thái blockchain đã bắt đầu thấy các chuỗi công cộng tích hợp các thuật toán chống lại lượng tử, chứng tỏ một xu hướng suy nghĩ tiên phong giảm bớt sự quan ngại quá mức.
Sự phát triển của máy tính lượng tử không chỉ đưa ra thách thức bảo mật tiềm năng cho công nghệ blockchain mà còn cung cấp cơ hội cho sự tiến bộ công nghệ và cải thiện hiệu quả. Bằng cách tích cực đối phó với những thay đổi này và chấp nhận sự chuyển đổi, công nghệ blockchain có thể phát triển mạnh mẽ giữa các làn sóng đổi mới trong tương lai, đạt được các cấp độ trưởng thành và sáng tạo cao hơn.
[1] Gặp Willow, vi một con chip lượng tử tiên tiến của chúng tôi
[2]John Preskill – Giới thiệu về Thông tin Lượng tử (Phần 1) – CSSQI 2012
[3] Ước tính Tài nguyên Lượng tử cho tính toán Logarit rời rạc đường Elliptic
[4]Đàn áp lỗi lượng tử bằng cách mở rộng một qubit logic của mã bề mặt
[5] Sửa lỗi lượng tử dưới ngưỡng mã bề mặt
[6] Làm thế nào để phân tích thành thừa số các số nguyên RSA 2048 bit trong 8 giờ bằng cách sử dụng 20 triệu qubit ồn ào
[7] Lộ trình tính toán lượng tử của Google
Mời người khác bỏ phiếu
Nội dung
Vi xử lý lượng tử mới nhất của Google,“Willow,”đã thu hút sự chú ý đáng kể từ cộng đồng công nghệ toàn cầu. Sự phát triển đột phá này không chỉ thể hiện những thành tựu mới nhất trong lĩnh vực máy tính lượng tử mà còn đưa ra những cuộc thảo luận quan trọng về tác động tiềm năng của nó đối với an ninh blockchain. Nền tảng của an ninh blockchain nằm trong những thách thức mật mã phức tạp, và sự tiến bộ trong máy tính lượng tử có thể đe dọa nền tảng này. Bài viết này sẽ nghiên cứu sâu hơn về những tác động tiềm năng của chip “Willow” của Google đối với an ninh blockchain.
Theo các báo cáo chính thức [1], Google đã giới thiệu vi mạch máy tính lượng tử mới nhất của mình, “Willow,” và thông báo về hai bước đột phá lớn:
Hãy mở ra những thành tựu này. Hiện tại, chúng ta sẽ tạm gác sang một bên sự đột phá đầu tiên trong việc sửa lỗi cơ bản và tập trung vào điểm thứ hai: tốc độ tính toán. Nếu “Willow” có thể hoàn thành trong năm phút điều mà máy tính siêu vi tính sẽ mất 1.025 năm để đạt được, nó tạo ra một so sánh đầy ấn tượng so với những thách thức mật mã truyền thống.
Ví dụ, hãy xem xét thời gian cần thiết cho một máy tính cổ điển để dùng vũ lực để phá vỡ một khóa mã hóa RSA-2048. Theo ước lượng của John Preskill [2], một máy tính gia đình sẽ cần khoảng 10¹⁶ năm để phá vỡ RSA-2048.
Với khả năng đáng kinh ngạc của “Willow”, nếu nó có thể xử lý các nhiệm vụ mà một siêu máy tính mất 1.025 năm chỉ trong năm phút, có thể dường như dễ dàng để giải quyết các thách thức yêu cầu 10¹⁶ năm. Điều này có nghĩa là vấn đề mật mã của phân tích số nguyên, trên đó RSA dựa, không còn an toàn nữa? Theo cùng một logic, vấn đề logarithm rời rạc trên các đường cong elip, là một khối xây dựng khác của an ninh blockchain, đã được giải quyết chưa? Những suy đoán này gợi ý về một kịch bản mà an ninh blockchain có thể sụp đổ trong một nháy mắt.
Nhưng đó có phải là trường hợp thực sự không?
Hãy đi sâu vào những ý nghĩa thực tế của những phát triển này đối với mật mã học và công nghệ blockchain. (Tiếp tục …)
Máy tính lượng tử có tiềm năng lý thuyết để phá vỡ các thách thức mật mã cổ điển, như vấn đề phân tích số nguyên tố và vấn đề logarith rời rạc, là cơ sở của nhiều hệ thống mã hóa. Nhưng cần bao nhiêu khả năng tính toán lượng tử cụ thể để phá vỡ các thách thức mật mã cụ thể? Hãy khám phá điều này qua các ví dụ sau đây:
Việc phân tích một số nguyên lớn từ một khóa công khai RSA-2048.
Phát sinh một khóa riêng từ khóa công khai trên các đường cong elliptic như Secp256k1, Secp256r1 hoặc Ed25519.
Đối với máy tính cổ điển, cả hai nhiệm vụ đều là không khả thi tính toán. Dựa trên tham số bảo mật tương ứng, mật mã đường cong elliptic (ECC) khá khó phá vỡ hơn RSA. Tuy nhiên, nghiên cứu của Martin và cộng sự [3] cho thấy đối với máy tính lượng tử, tình hình đảo ngược: RSA khó hơn ECC một chút. Để đơn giản, chúng ta xem xét cả hai vấn đề có độ khó tương tự và tập trung vào vấn đề thứ hai.
Vai trò của Secp256k1 và các đường cong tương tự trong Bảo mật Blockchain
Các đường cong Elliptic như Secp256k1, Secp256r1 và Ed25519 được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống blockchain. Vấn đề logarithm rời rạc (DLP) trên các đường cong này tạo thành cột sống của bảo mật blockchain, bao gồm các hệ thống như Bitcoin. Nếu vấn đề này được giải quyết, kẻ tấn công có thể tạo ra các giao dịch trên blockchain theo ý muốn. Rõ ràng, khả năng giải quyết DLP trên đường cong Elliptic sẽ trực tiếp quyết định sự tồn tại của bảo mật blockchain.
Yêu cầu về Tính toán Lượng tử để Phá vỡ DLP
Theo Martin et al. [3], giải quyết vấn đề logarith rời rạc trên một đường cong elliptic được xác định trên một trường order số nguyên tố (với kích thước order nnn bit) sẽ đòi hỏi:
Ví dụ: Phá vỡ đường cong chuẩn NIST P-256
Đối với đường cong P-256 được sử dụng trong nhiều hệ thống mật mã học:
Hậu quả đối với An ninh Blockchain
Một máy tính lượng tử chỉ với 2.330 qubit logic và có khả năng thực thi 1.26×10^{11} cổng Toffoli sẽ đủ để đe dọa hệ thống blockchain. Khả năng này sẽ phá hủy sự an toàn của Bitcoin, Ethereum và hầu hết tất cả các mạng blockchain khác dựa vào ECC để bảo vệ mật mã.
Mặc dù những yêu cầu tài nguyên này đáng sợ, sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ máy tính lượng tử cho thấy rằng việc đạt được những khả năng như vậy có thể không phải là không thể trong dài hạn. Tuy nhiên, ước lượng hiện tại đặt việc thực hiện các hệ thống lượng tử như vậy 15-20 năm vào tương lai, mang lại cho ngành công nghiệp blockchain một cửa sổ quan trọng để phát triển và triển khai mật mã chống lại lượng tử.
Sức mạnh tính toán phi thường của máy tính lượng tử, vượt xa sức mạnh của máy tính cổ điển, nằm ở khả năng tận dụng của chúngsiêu định thể lượng tửvàsong song lượng tửquaquantum bits (qubits). Khác với máy tính cổ điển, dựa vào quá trình tuyến tính, máy tính lượng tử cho phép tính toán phức tạp bằng cách hoạt động trên nhiều trạng thái cùng một lúc. Tuy nhiên, các tính chất độc đáo của qubit cũng đem đến những thách thức đáng kể.
Qubits rất nhạy cảm với tiếng ồn môi trường và sự can thiệp từ bên ngoài, làm cho trạng thái của chúng không ổn định và dễ mất các thuộc tính lượng tử của chúng (hiện tượng được biết đến làsự mất đi tính toàn vẹnLỗi có thể xảy ra ở gần như mọi giai đoạn của quá trình tính toán lượng tử - trong quá trình khởi tạo, duy trì trạng thái, hoạt động cổng lượng tử hay đo kết quả. Những lỗi này có thể làm cho các thuật toán lượng tử không hiệu quả hoặc cho kết quả không chính xác. Do đó, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của qubit để có đượcqubits chất lượng caolà một trong những thách thức cốt lõi trong tính toán lượng tử.
Đối mặt với thách thức: Qubit logic và sửa lỗi
Một trong những chiến lược chính để vượt qua sự không ổn định của qubit là xây dựng các qubit logic, giảm tỷ lệ lỗi bằng cách kết hợp nhiều qubit vật lý với mã sửa lỗi lượng tử. Các mã này, như mã bề mặt và mã Descartes, cho phép phát hiện và sửa lỗi, từ đó nâng cao tính ổn định và đáng tin cậy của các hệ thống lượng tử.
Mỗi qubit logic thông thường yêu cầu từ vài chục đến hàng ngàn qubit vật lý để hỗ trợ. Trong khi qubit logic cải thiện đáng kể tính chịu lỗi của máy tính lượng tử, chúng đến với chi phí là yêu cầu qubit vật lý tăng lên và thuật toán sửa lỗi phức tạp hơn.
Một thách thức then chốt trong việc sửa lỗi lượng tử đã trở thành một rào cản lớn. Ban đầu, các nhà nghiên cứu cho rằng hy sinh thêm các qubit vật lý sẽ cải thiện độ chính xác của qubit logic. Tuy nhiên, thực tế đã chứng minh điều ngược lại. Do tỷ lệ lỗi cao tính cách của các qubit vật lý (từ 10⁻¹ đến 10⁻³), những nỗ lực sửa lỗi sớm ban đầu thường dẫn đến qubit logic có tỷ lệ lỗi cao hơn so với chính các qubit vật lý.
Hiện tượng này, thường được mô tả như “sửa quá nhiều gây ra hỗn loạn”, nhấn mạnh tầm quan trọng của các cụm qubits vật lý chất lượng cao để xây dựng các qubits logic đáng tin cậy.
Mà không có các qubit logic chất lượng cao, việc tính toán lượng tử thực tế vẫn là điều khó đạt được. Giải quyết thách thức này không chỉ đòi hỏi sự tiến bộ trong ổn định qubit vật lý mà còn đòi hỏi đột phá trong các kỹ thuật sửa lỗi lượng tử. Đạt được mục tiêu này là điều cần thiết để mở khóa toàn bộ tiềm năng của tính toán lượng tử và vượt qua những hạn chế hiện tại của nó.
Với hiểu biết vững chắc về những thách thức xung quanh việc tính toán lượng tử, chúng ta có thể đánh giá lại những thành tựu của vi mạch lượng tử của Google, “Willow.”
Một trong những khía cạnh đột phá nhất của “Willow” là khả năng vượt qua những rào cản lâu nay trong việc sửa lỗi lượng tử bằng cách sử dụng mã bề mặt [4][5]. Bằng cách tăng số lượng qubit và tối ưu hóa các kỹ thuật sửa lỗi, “Willow” đã đạt được một mốc lịch sử: biến sửa lỗi từ một quá trình lỗ hổng thành một lợi nhuận ròng.
Hiệu suất của mã bề mặt
Ngoài ra, vi mảng chip ‘Willow’ đã hoàn thành việc tính toán thử nghiệm Mẫu Mạch Ngẫu Nhiên (RCS) trong thời gian dưới năm phút. RCS là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để đánh giá hiệu suất của máy tính lượng tử.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là khoảng cách hiệu suất ấn tượng giữa máy tính lượng tử và siêu máy tính cổ điển trong thử nghiệm này một phần phát sinh từ sự khác biệt cơ bản giữa điện toán lượng tử và điện toán cổ điển. Để hiểu rõ hơn về điều này, chúng ta có thể sử dụng một phép so sánh không hoàn hảo: so sánh “tốc độ của vệ tinh trong không gian” với “tốc độ của ô tô trên mặt đất”.
Hơn nữa, cần nhấn mạnh rằng RCS hiện tại thiếu các kịch bản ứng dụng thực tiễn, chủ yếu phục vụ như một công cụ đánh giá hiệu suất.
Lộ trình Google Quantum Computing
Biểu đồ ở trên minh họa sáu giai đoạn của lộ trình phát triển máy tính lượng tử của Google, nhấn mạnh đường lối quan trọng từ những bước đột phá thử nghiệm đến ứng dụng thực tế quy mô lớn.
Sử dụngBộ xử lý Sycamore, đội đã chứng minh tính toán lượng tử vượt qua tính toán cổ điển. Chỉ trong 200 giây, bộ xử lý hoàn thành một nhiệm vụ mà một siêu máy tính truyền thống sẽ mất 10.000 năm, đặt nền móng cho ưu thế lượng tử. Mục tiêu của giai đoạn này đã được đạt được với một máy tính lượng tử có 54 qubit vật lý.
The Willow chipđược sử dụng để thể hiện nguyên mẫu đầu tiên của một qubit logic, chứng minh rằng việc sửa lỗi lượng tử có thể giảm tỷ lệ lỗi. Bước đột phá này đã mở đường cho việc xây dựng các máy tính lượng tử thực tế quy mô lớn và tạo điều kiện cho khả năng áp dụng lượng tử quy mô trung gian gần kỳ vọng (NISQ) trong tương lai gần. Những mục tiêu cho giai đoạn này cũng đã được đạt được, với máy tính lượng tử đạt được 105 qubit vật lý và tỷ lệ lỗi qubit logic là 10^-3.
Mục tiêu là xây dựng các qubit logic tồn tại lâu dài với tỉ lệ lỗi ít hơn một trên một triệu hoạt động. Để đạt được điều này, cần có sự hiệu chỉnh lỗi lượng tử mạnh mẽ hơn và kiến trúc phần cứng có thể mở rộng hơn. Máy tính lượng tử ở giai đoạn này dự kiến sẽ có 10^3103 qubit vật lý, với tỉ lệ lỗi qubit logic giảm xuống còn 10−6.
Trọng tâm chuyển sang việc thực hiện các hoạt động cổng logic lượng tử ít lỗi, cho phép ứng dụng sửa lỗi lượng tử có ý nghĩa. Dự kiến máy tính lượng tử sẽ đạt tới 10^4104 qubit vật lý trong khi duy trì mức lỗi qubit logic là 10−6.
Hệ thống sẽ mở rộng lên 100 qubit logic và thực hiện các hoạt động cổng chính xác cao, mở khóa hơn ba ứng dụng lỗi dung sai của lượng tử. Dự kiến máy tính lượng tử sẽ có 10^5105 qubit vật lý, với tỷ lệ lỗi qubit logic ở mức 10−610^{-6}10−6.
Mục tiêu cuối cùng là kiểm soát và kết nối 1 triệu qubit, tạo ra một máy tính lượng tử chống lỗi quy mô lớn. Hệ thống này được tưởng tượng sẽ được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế và công nghệ bền vững, với hơn 10 ứng dụng lượng tử biến đổi các ngành công nghiệp khác nhau. Máy tính lượng tử ở giai đoạn này sẽ có 10610^6106 qubit vật lý, với tỷ lệ lỗi qubit logic giảm xuống còn 10−1310^{-13}10−13.
Như đã thảo luận trước đó, việc vượt qua những thách thức mật mã blockchain phổ biến, như vấn đề logarithm rời rạc của đường cong elliptic, yêu cầu khoảng 2.330 qubit logic chất lượng cao và một mạch lượng tử với 1,26×10^{11} cổng Toffoli. Qubit logic phụ thuộc vào việc sửa lỗi lượng tử, với mỗi qubit logic thường cần nhiều qubit vật lý để hỗ trợ. Ví dụ, chip Willow sử dụng khoảng cách mã lỗi là 7, yêu cầu 49 qubit vật lý cho mỗi qubit logic, tổng cộng khoảng 114.170 qubit vật lý.
Tuy nhiên, ước tính này là lạc quan. Khi quy mô và độ sâu của các hoạt động lượng tử tăng lên, yêu cầu nghiêm ngặt về tỷ lệ lỗi qubit logic sẽ nảy sinh. Hiện nay, tỷ lệ lỗi qubit logic của Willow khoảng 10−310^{-3}10−3, xa so với mức cần thiết để giải quyết các vấn đề như vậy. Theo Craig và cộng sự [6], việc giải quyết vấn đề RSA-2048, có độ phức tạp tương tự như vấn đề logarithm rời rạc của đường cong elliptic, đòi hỏi tỷ lệ lỗi qubit logic là 10−1510^{-15}10−15 và khoảng cách mã ít nhất là 27. Điều này có nghĩa là mỗi qubit logic sẽ cần 272=72927^2 = 729272=729 qubit vật lý, tổng cộng hơn 1.698.570 qubit vật lý. Ngoài ra, tỷ lệ lỗi qubit logic cần thiết là 10−1510^{-15}10−15 không chỉ xa so với 10−310^{-3}10−3 của Willow mà còn thấp hơn hai bậc so với tỷ lệ lỗi qubit logic dự kiến cho máy tính lượng tử trong lộ trình giai đoạn 6 của Google.
Dựa trên lộ trình phát triển của Google, chỉ có thể giải quyết được vấn đề logarithm rời rạc của đường cong elip khi máy tính lượng tử đạt Stage 6. Để đạt được mục tiêu này sẽ đòi hỏi sự tiến bộ đáng kể trong chất lượng qubit logic, cùng với việc quản lý hiệu quả và sửa lỗi của một lượng lớn qubit vật lý.
Giả sử có khoảng cách năm giữa Giai đoạn 1 và Giai đoạn 2 và tiến triển ổn định, ước tính sẽ mất từ 15 đến 20 năm cho “Willow” để vượt qua các thách thức mật mã cổ điển. Ngay cả với tầm nhìn lạc quan nhất, cũng tốn ít nhất 10 năm để đạt đến mức độ yêu cầu.
Một khi máy tính lượng tử đạt được sức mạnh tính toán đủ, chúng sẽ có khả năng tận dụng ưu thế bất đối xứng của mình để nhanh chóng đánh đổ cơ chế bảo mật cốt lõi của tiền điện tử. Điều này bao gồm việc đánh cắp các khóa riêng tư của người dùng và kiểm soát tài sản của họ. Trong tình huống như vậy, các mạng tiền điện tử hiện tại sẽ phải đối mặt với sự sụp đổ hệ thống, khiến cho tài sản của người dùng trở nên không được bảo vệ.
Hiện tại, vi mô quantum Willow của Google vẫn đang ở giai đoạn đầu của nghiên cứu máy tính lượng tử và không thể giải quyết các thách thức mật mã như phân tích số nguyên tố lớn và logarit rời rạc của đường cong elliptic. Do đó, nó vẫn chưa đặt ra một mối đe dọa đáng kể đối với an ninh blockchain. Việc phát triển một máy tính lượng tử thực sự hữu ích đối diện với nhiều thách thức kỹ thuật, làm cho điều này trở thành một hành trình dài và gian nan.
Mặc dù công nghệ máy tính lượng tử chưa đe dọa trực tiếp đến tài sản được mã hóa, nhưng sự phát triển nhanh chóng của nó không thể bị bỏ qua. Theo dự báo dựa trên các xu hướng công nghệ hiện tại, dự kiến máy tính lượng tử sẽ vượt qua một số vấn đề kỹ thuật chính trong thập kỷ tới, dần tiến gần đến điểm quan trọng mà chúng có thể đe dọa mật mã truyền thống. Trong kỳ vọng đối mặt với thách thức tiềm năng này, cộng đồng blockchain phải lên kế hoạch và chuẩn bị một cách chủ động để đối phó với tác động công nghệ của kỷ nguyên lượng tử. Để đảm bảo an ninh và ổn định lâu dài của hệ thống blockchain, ba biện pháp chính là cần thiết:
Việc đẩy mạnh nghiên cứu về mật mã chống lại các mối đe dọa của quantum như thuật toán dựa trên lưới và thúc đẩy việc áp dụng tiêu chuẩn toàn cầu của chúng là vô cùng quan trọng. Điều này là ưu tiên hàng đầu trong việc đối phó với các mối đe dọa của quantum và rất quan trọng cho sự an toàn trong tương lai của công nghệ blockchain.
Nỗ lực nên tập trung vào việc xây dựng cơ sở hạ tầng mật mã chống lại các mối đe dọa từ lượng tử mạnh mẽ để cung cấp nền tảng kỹ thuật vững chắc cho an ninh dài hạn của các mạng blockchain. Điều này sẽ đảm bảo hệ thống có thể phản ứng hiệu quả đối với các mối đe dọa từ lượng tử tiềm năng và duy trì hoạt động ổn định.
Cộng đồng Blockchain cũng nên khám phá các ứng dụng tiềm năng của máy tính lượng tử, chẳng hạn như tối ưu hóa tính toán trên chuỗi, cải thiện hiệu suất lập lịch tài nguyên và tăng cường bảo vệ quyền riêng tư. Những đổi mới này có thể mang đến động lực tăng trưởng mới cho công nghệ blockchain.
Mặc dù việc áp dụng rộng rãi của máy tính lượng tử vẫn chưa được thực hiện, nhưng việc chúng đến sẽ là không thể tránh khỏi. Trong ngữ cảnh này, các khung chứng thực bảo mật của blockchain dựa trên mật mã truyền thống sẽ dần bị thay thế bằng các đảm bảo bảo mật dựa trên mật mã chống lại lượng tử.
Các công ty như Safeheron đã hợp tác với các cơ sở giáo dục để nghiên cứu các thuật toán chống lại lượng tử một cách tích cực, đặt nền tảng cho sự tiến hóa công nghệ của bảo mật tài sản kỹ thuật số. Ngoài ra, hệ sinh thái blockchain đã bắt đầu thấy các chuỗi công cộng tích hợp các thuật toán chống lại lượng tử, chứng tỏ một xu hướng suy nghĩ tiên phong giảm bớt sự quan ngại quá mức.
Sự phát triển của máy tính lượng tử không chỉ đưa ra thách thức bảo mật tiềm năng cho công nghệ blockchain mà còn cung cấp cơ hội cho sự tiến bộ công nghệ và cải thiện hiệu quả. Bằng cách tích cực đối phó với những thay đổi này và chấp nhận sự chuyển đổi, công nghệ blockchain có thể phát triển mạnh mẽ giữa các làn sóng đổi mới trong tương lai, đạt được các cấp độ trưởng thành và sáng tạo cao hơn.
[1] Gặp Willow, vi một con chip lượng tử tiên tiến của chúng tôi
[2]John Preskill – Giới thiệu về Thông tin Lượng tử (Phần 1) – CSSQI 2012
[3] Ước tính Tài nguyên Lượng tử cho tính toán Logarit rời rạc đường Elliptic
[4]Đàn áp lỗi lượng tử bằng cách mở rộng một qubit logic của mã bề mặt
[5] Sửa lỗi lượng tử dưới ngưỡng mã bề mặt
[6] Làm thế nào để phân tích thành thừa số các số nguyên RSA 2048 bit trong 8 giờ bằng cách sử dụng 20 triệu qubit ồn ào
[7] Lộ trình tính toán lượng tử của Google