211service.com
Als kwantumcomputers blockchains bedreigen, kunnen kwantumblockchains de verdediging zijn
Een blockchain is een wiskundige structuur die gegevens in de loop van de tijd veilig opslaat. Het idee is beroemd geworden door de Bitcoin-boom. Bitcoin vertrouwt op blockchains om de gerelateerde valutatransacties veilig op te slaan.
Maar dezelfde technologie kan alle soorten gegevens opslaan: verzendgegevens, de voortgang van computerprogramma's, slimme contracten, enzovoort. Inderdaad, blockchains lijken een van de ondersteunende technologieën van de 21e eeuw te worden.
En toch hebben ze een achilleshiel. De veiligheid van een blockchain wordt gegarandeerd door standaard cryptografische functies. Deze zijn relatief veilig omdat het breken ervan enorme computerbronnen vereist, die niet algemeen beschikbaar zijn.
Dat lijkt te veranderen met de opkomst van krachtige kwantumcomputers. Het zal kinderspel zijn voor dergelijke apparaten om deze soort cryptografische bescherming te doorbreken. Maar kwantumcomputers kunnen kwantumcryptografische codes niet breken, dus hebben verschillende groepen voorgesteld om kwantumcryptografie toe te voegen aan blockchains om hun veiligheid te garanderen.
Er is een betere, meer fundamentele oplossing, zeggen Del Rajan en Matt Visser van de Victoria University of Wellington in Nieuw-Zeeland. Kwantumcryptografie voegt slechts een kwantumlaag toe aan het standaard blockchain-protocol. In plaats daarvan stellen ze voor om van de hele blockchain een kwantumfenomeen te maken.
Hun idee is om een blockchain te maken met behulp van kwantumdeeltjes die verstrengeld zijn in de tijd. Dat zou een enkel kwantumdeeltje in staat stellen de geschiedenis van al zijn voorgangers te coderen op een manier die niet kan worden gehackt zonder het te vernietigen. Een dergelijk protocol steunt op de wetten van de fysica om de veiligheid te garanderen. Het leidt echter ook tot ongebruikelijke bijwerkingen. Deze gedecentraliseerde kwantumblockchain kan worden gezien als een kwantumnetwerktijdmachine, zeggen Rajan en Visser.
Eerst wat achtergrond. Een blockchain is gewoon een grootboek dat informatie van een bepaald type registreert, bijvoorbeeld valutatransacties. De transacties worden voortdurend toegevoegd aan een database die een blok wordt genoemd, maar aan het einde van een bepaalde tijdsperiode wordt het blok versleuteld met behulp van een wiskundig apparaat dat een hash-functie wordt genoemd. Dit levert een uniek nummer op dat kan worden gebruikt om de gegevens exact weer te geven.
Dit unieke nummer wordt dan meegenomen in het volgende blok bij de volgende set transacties. Na een tijdje wordt het allemaal gecodeerd met behulp van de hash-functie om een nieuw uniek nummer te produceren. Dit wordt toegevoegd aan het volgende blok. En zo verder, het creëren van een keten van blokken die allemaal in de nieuwste zijn genest - vandaar de naam blockchain.
Iedereen die probeert het historische record te vervalsen, zou een manier moeten vinden om de gegevens te wijzigen op een manier die de uitkomst van de hash-functie niet verandert. En dat is zo rekenkundig uitdagend dat het met een klassieke computer als onmogelijk wordt beschouwd. Maar het kan wel met het soort kwantumcomputers dat binnenkort beschikbaar komt.
Daarom hebben Rajan en Visser een andere aanpak bedacht die gebaseerd is op een volledig kwantumversie van een blockchain. Het fenomeen dat centraal staat in hun benadering wordt verstrengeling genoemd. Wanneer twee kwantumdeeltjes verstrengeld zijn, delen ze hetzelfde bestaan. Dit gebeurt wanneer ze op hetzelfde punt in ruimte en tijd interageren. Daarna heeft een meting op de een direct invloed op de ander, hoe ver ze ook uit elkaar liggen.
Wat de veiligheid garandeert, is dat verstrikking buitengewoon kwetsbaar is. Een meting op een van een paar verstrengelde deeltjes vernietigt onmiddellijk de link. Dus als een kwaadwillende gebruiker zich met een van de twee probeert te bemoeien, is dat voor de ander meteen duidelijk.
Net zoals deeltjes in de ruimte verstrikt kunnen raken, kunnen ze in de loop van de tijd ook verstrikt raken. Dus een deeltje dat in het heden bestaat, kan verstrengeld raken met een deeltje dat in het verleden bestond. En een meting erop heeft direct invloed op zijn voorganger.
Dat leidt tot enkele subtiele en contra-intuïtieve verschijnselen. Er is bijvoorbeeld een speciale kwantumzin waarin het mogelijk wordt om het verleden te beïnvloeden. Natuurlijk zijn er strikte grenzen aan wat dit mogelijk maakt. Het is bijvoorbeeld niet mogelijk om een reeks gebeurtenissen op gang te brengen die je grootouders zullen doden en er dus voor zorgen dat je nooit hebt bestaan. Dat soort paradoxen is niet toegestaan.
Maar het wordt wel moeilijker om onderscheid te maken tussen oorzaak en gevolg. Een ander effect is dat het mogelijk wordt om de hoeveelheid informatie die door de tijd kan worden overgedragen te vergroten.
Het is dit soort temporele verstrengeling die Rajan en Visser uitbuiten om een kwantumblockchain te produceren. Het basisidee is om gegevens op een kwantumdeeltje te coderen. Dit wordt het eerste kwantumblok.
Wanneer er meer data beschikbaar is, wordt dit gecombineerd met de data van het eerste deeltje in een kwantumoperatie die het verstrengelt met een tweede deeltje. De eerste wordt dan weggegooid en het record van het eerste transactieblok wordt gecombineerd met het tweede blok. De gegevens uit een derde blok kunnen op dezelfde manier worden toegevoegd, waardoor een ketting ontstaat.
Deze ketting is veilig omdat iedereen die ermee probeert te knoeien, deze onmiddellijk ongeldig maakt. Dat is het voordeel van kwantumverstrengeling.
Deze kwantumblockchain heeft nog een ander voordeel: de eerdere blokken zijn volledig fraudebestendig. De aanvaller kan niet eens proberen toegang te krijgen tot de vorige fotonen, omdat die niet meer bestaan, zeggen Rajan en Visser. Verstrikking in de tijd biedt een veel groter veiligheidsvoordeel dan verstrikking in de ruimte.
Bovendien bestaat de meeste technologie om dit te laten werken al, in ieder geval in proof-of-principle-vorm. Alle deelsystemen van dit ontwerp zijn al experimenteel gerealiseerd, zeggen Rajan en Visser.
Dat is interessant werk dat waarschijnlijk relevanter zal worden naarmate er krachtige kwantumcomputers verschijnen. IBM heeft al een kwantumcomputer van 50 qubit en er staan nog krachtigere machines op stapel. Het is slechts een kwestie van tijd voordat ze het vertrouwen in blockchains kunnen ondermijnen.
Maar een belangrijk onderdeel van de infrastructuur die nodig is om dit soort kwantumblockchain te laten werken, is nog niet beschikbaar: een kwantumweb. Dit is een netwerk dat kwantuminformatie kan verzenden via kwantumrouters zonder de kwantumeigenschappen te vernietigen. Dit soort systeem wordt momenteel ontworpen en zal naar verwachting in de komende maanden of jaren worden uitgerold in Europa, de VS en China.
Inderdaad, het bouwen van een dergelijk systeem is in wezen een technische taak in plaats van een fundamentele fysica. Het is dus een kwestie van tijd voordat een quantum blockchain mogelijk wordt. Of dit protocol als beste naar voren komt, is natuurlijk een andere vraag.
Misschien kunnen Rajan en Visser hun kwantumtijdmachine goed gebruiken door uit te zoeken welke technologie in de toekomst uiteindelijk zegeviert!
Referentie: arxiv.org/abs/1804.05979 : Quantum Blockchain met behulp van verstrengeling in de tijd