Czym jest computing kwantowy? Proste wyjaśnienie

Czym jest quantum computing w prostych słowach?

Quantum computing to sposób, w jaki komputery kwantowe wykonują obliczenia. Komputer kwantowy to więc samo urządzenie, natomiast quantum computing odnosi się do technologii i stojącej za nią metody obliczeniowej.

Komputer kwantowy działa inaczej niż klasyczny komputer. Zwykły komputer pracuje na bitach, które mają wartość 0 albo 1, a komputer kwantowy wykorzystuje kubity.

Kubity mogą przetwarzać informacje w inny sposób. Dzięki temu komputery kwantowe mogą inaczej podchodzić do niektórych bardzo konkretnych problemów niż zwykłe komputery. Można tu na przykład myśleć o obliczeniach dotyczących cząsteczek w badaniach nad nowymi lekami i materiałami albo o pewnych problemach matematycznych, które dla klasycznych komputerów wymagają bardzo dużej mocy obliczeniowej.

Nie oznacza to jednak, że komputer kwantowy automatycznie jest szybszy. Do zwykłych zadań, takich jak korzystanie z internetu, wideorozmowy, praca w arkuszach kalkulacyjnych czy obsługa serwerów, klasyczny komputer pozostaje znacznie lepszym wyborem.

Komputery kwantowe prawdopodobnie nie zastąpią więc zwykłych komputerów. W praktyce oba typy maszyn będą raczej używane obok siebie, przy czym komputer kwantowy będzie wykorzystywany tylko do problemów, w których takie podejście rzeczywiście daje przewagę.

Najważniejsze informacje

• Quantum computing wykorzystuje kubity zamiast wyłącznie zwykłych bitów.
• Kubity mogą wykazywać właściwości takie jak superpozycja i splątanie kwantowe.
• Komputer kwantowy nie jest szybszy od klasycznego komputera w każdym zadaniu.
• Technika ta może być szczególnie przydatna w przypadku konkretnych złożonych problemów.
• Wystarczająco wydajny komputer kwantowy może w przyszłości stwarzać ryzyko dla kryptografii i crypto.

Jak działa quantum computing?

Komputer kwantowy wykonuje obliczenia z użyciem kubitów. Najpierw kubity są przygotowywane w określonym stanie początkowym. Następnie komputer wykonuje na nich operacje, a na końcu dokonuje pomiaru.

Te operacje nazywają się bramkami kwantowymi, czyli gates. Można je traktować jak polecenia, które zmieniają stan kubitu. Gdy kilka takich poleceń zostanie wykonanych jedno po drugim, powstaje algorytm kwantowy.

Podczas obliczeń kubity mogą też wzajemnie na siebie oddziaływać. Algorytmy kwantowe wykorzystują to, aby zwiększać lub zmniejszać prawdopodobieństwo określonych wyników. Celem jest to, by po pomiarze pożądany wynik pojawiał się częściej.

Po pomiarze otrzymujesz zwykłe wartości, takie jak 0 i 1. Komputer kwantowy nie zwraca więc automatycznie wszystkich możliwych odpowiedzi naraz. Algorytm musi być tak zbudowany, aby użyteczny wynik miał dużą szansę zostać zmierzony.

Czym są kubity?

Kubity to podstawowa jednostka, za pomocą której komputer kwantowy przetwarza informacje. Kubit można porównać do bitu w zwykłym komputerze.

Zwykły bit ma wartość 0 albo 1. Kubit działa inaczej. Zanim zostanie zmierzony, jego stan może być taki, że zarówno 0, jak i 1 są możliwymi wynikami. Dopiero po pomiarze widzisz jeden wynik: 0 albo 1.

Kubity nie są zwykłymi elementami komputera. Badacze mogą je tworzyć na przykład z bardzo małych obwodów elektrycznych, atomów, jonów lub cząstek światła.

Największym problemem jest to, że kubity są bardzo wrażliwe na otoczenie. Ciepło, drgania i szum elektromagnetyczny mogą zakłócić obliczenia. Dlatego trudno jest budować duże komputery kwantowe, które potrafią niezawodnie liczyć wystarczająco długo.

Czym jest superpozycja (superposition)?

Superpozycja to nazwa zjawiska, w którym kubit przed pomiarem nie jest po prostu ustalony na 0 albo 1.

Można to rozumieć jako kilka możliwych wyników, które są częścią tego samego stanu kwantowego. Podczas pomiaru i tak otrzymujesz tylko jeden wynik.

Przy dwóch kubitach możliwe są na przykład cztery wyniki:

• 00
• 01
• 10
• 11

Komputer kwantowy może podczas obliczeń pracować ze stanem, w którym wszystkie te możliwości odgrywają rolę. Nie oznacza to jednak, że po zakończeniu obliczeń można odczytać wszystkie cztery odpowiedzi naraz. Po pomiarze otrzymujesz jeden wynik.

Dlatego algorytm kwantowy musi tak kierować obliczeniami, aby użyteczny wynik miał większą szansę zostać zmierzony.

Przykład: Załóżmy, że dwa kubity mogą ostatecznie dać 00, 01, 10 albo 11. Dobry algorytm kwantowy stara się maksymalnie zwiększyć szansę na pożądany wynik, na przykład 10.

Czym jest splątanie kwantowe (quantum entanglement)?

W splątaniu kwantowym dwa lub więcej kubitów staje się tak ze sobą powiązanych, że nie da się już w pełni opisać ich stanu osobno.

Załóżmy na przykład, że dwa splątane kubity są tak powiązane, iż podczas pomiaru zawsze otrzymujesz 00 albo 11. Jeśli pierwszy kubit zostanie zmierzony jako 0, to w tym przykładzie drugi również zostanie zmierzony jako 0. Jeśli pierwszy da 1, drugi też da 1.

Komputery kwantowe mogą wykorzystywać takie zależności podczas obliczeń. W połączeniu z superpozycją i innymi zjawiskami kwantowymi umożliwia to wykonywanie obliczeń działających inaczej niż na klasycznym komputerze.

Splątanie kwantowe nie oznacza jednak, że można przesyłać informacje szybciej niż światło. Nie da się bowiem samodzielnie wybrać wyniku pomiaru.

Jaka jest różnica między komputerami kwantowymi a klasycznymi?

Najważniejsza różnica polega na tym, że klasyczny komputer działa na bitach, a komputer kwantowy wykorzystuje kubity. Zwykły bit ma wartość 0 albo 1. Kubit działa zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej i dlatego może przetwarzać informacje w inny sposób.

Komputery kwantowe wykorzystują zjawiska takie jak superpozycja (superposition) i splątanie kwantowe (quantum entanglement). Pracują też z użyciem specjalnych operacji, nazywanych bramkami kwantowymi lub gates.

Nie oznacza to, że komputer kwantowy jest automatycznie lepszy lub szybszy. Do większości codziennych zadań klasyczne komputery są znacznie bardziej odpowiednie. Chodzi na przykład o korzystanie z internetu, przetwarzanie plików, wideorozmowy czy obsługę serwerów.

Komputery kwantowe są przede wszystkim interesujące dla ograniczonej liczby problemów, dla których istnieją specjalne algorytmy kwantowe.

Kolejna różnica polega na tym, że kubity są znacznie bardziej wrażliwe na zakłócenia niż zwykłe bity. Ciepło, szum elektromagnetyczny i inne wpływy środowiska mogą powodować błędy. Dlatego trudno jest budować duże komputery kwantowe, które przez długi czas pozostają niezawodne.

Sama liczba kubitów nie mówi też, ile potrafi komputer kwantowy. Znaczenie ma również to, jak często pojawiają się błędy, jak dobrze kubity mogą ze sobą współpracować i jak skutecznie można te błędy korygować.

W przyszłości komputery kwantowe i klasyczne prawdopodobnie będą używane obok siebie. Klasyczny komputer może na przykład wykonywać zwykłe przetwarzanie i sterowanie, a komputer kwantowy tylko konkretną część trudnych obliczeń.

Do czego można wykorzystać quantum computing?

Quantum computing może być szczególnie interesujący w przypadku problemów, które są bardzo trudne dla klasycznych komputerów.

Ważnym przykładem jest symulowanie samej natury. Cząsteczki i materiały zachowują się w bardzo małej skali zgodnie z mechaniką kwantową. Komputer kwantowy może więc w teorii nadawać się do modelowania takich układów.

Możliwe zastosowania to na przykład:

• badania nad nowymi lekami;
• odkrywanie nowych materiałów;
• symulowanie reakcji chemicznych;
• niektóre problemy planistyczne i optymalizacyjne;
• pewne obliczenia matematyczne i kryptograficzne.

W optymalizacji można na przykład myśleć o szukaniu najlepszej trasy, planowaniu produkcji lub podziale logistycznym. Prowadzi się nad tym wiele badań, ale komputery kwantowe nie mają jeszcze udowodnionej praktycznej przewagi w każdym rodzaju problemu optymalizacyjnego.

Znanym przykładem z matematyki jest algorytm Shora. To algorytm kwantowy, dzięki któremu wystarczająco wydajny komputer kwantowy mógłby rozwiązywać pewne problemy matematyczne znacznie efektywniej niż znane metody klasyczne.

Jest to szczególnie ważne dla kryptografii, ponieważ niektóre metody zabezpieczeń opierają się właśnie na tym, że takie obliczenia są dla zwykłych komputerów skrajnie trudne.

Wiele zastosowań quantum computing nadal znajduje się na etapie badań. Eksperyment, w którym komputer kwantowy lepiej wykonuje jedno konkretne zadanie, nie oznacza więc automatycznie, że technologia jest już od razu użyteczna dla firm lub konsumentów.

Jaki wpływ ma quantum computing na kryptografię?

Quantum computing może w przyszłości wpłynąć na niektóre formy kryptografii.

Szczególnie ważna jest kryptografia klucza publicznego (public-key cryptography). W jej przypadku masz klucz publiczny, którym możesz dzielić się z innymi, oraz klucz prywatny, który musi pozostać tajny.

Bezpieczeństwo takich systemów opiera się na problemach matematycznych, których zwykłe komputery nie są w stanie praktycznie rozwiązać w użytecznym czasie.

Wystarczająco wydajny komputer kwantowy mógłby rozwiązywać niektóre z tych problemów znacznie efektywniej dzięki algorytmowi Shora. W rezultacie niektóre formy szyfrowania i podpisów cyfrowych mogą stać się podatne na atak.

Może to mieć skutki na dwa sposoby.

W przypadku szyfrowania ktoś może potencjalnie odszyfrować informacje, które miały pozostać tajne.

W przypadku podpisów cyfrowych ktoś może potencjalnie podrobić ważny podpis bez posiadania prawdziwego klucza prywatnego.

Nie cała kryptografia jest zagrożona w ten sam sposób. Szyfrowanie symetryczne i funkcje skrótu nie są atakowane przez algorytm Shora w ten sam fundamentalny sposób.

W ich przypadku szczególnie istotny jest algorytm Grovera. Może on w teorii przyspieszać pewne wyszukiwania, przez co może być potrzebny większy margines bezpieczeństwa.

Obecnie nie istnieje jeszcze komputer kwantowy, który potrafiłby praktycznie łamać powszechnie używaną kryptografię na dużą skalę.

Mimo to już teraz istnieje ryzyko dla informacji, które muszą pozostać tajne przez wiele lat. Atakujący może dziś zapisać zaszyfrowane dane i liczyć na to, że później odszyfruje je przy użyciu mocniejszego komputera kwantowego. Nazywa się to harvest now, decrypt later.

Które metody kryptograficzne mogą stać się podatne?

Szczególnie podatna może być kryptografia oparta na faktoryzacji lub problemie logarytmu dyskretnego, jeśli pojawi się wystarczająco wydajny komputer kwantowy.

RSA jest tu znanym przykładem. Bezpieczeństwo RSA opiera się na tym, że dla zwykłych komputerów bardzo trudno jest rozłożyć bardzo duże liczby na czynniki.

Podatne mogą stać się także Diffie-Hellman, ECDH, DSA, ECDSA oraz podpisy Schnorra.

Wiele z tych technik wykorzystuje problem logarytmu dyskretnego. To problem matematyczny trudny dla klasycznych komputerów, ale dla którego algorytm Shora oferuje znacznie skuteczniejsze podejście.

W crypto szczególnie ważna jest kryptografia krzywych eliptycznych, w skrócie ECC. Wiele blockchainów używa ECC do tworzenia podpisów cyfrowych.

Taki podpis pozwala udowodnić, że to Ty możesz wykonać transakcję, bez ujawniania swojego klucza prywatnego.

Jeśli przyszły komputer kwantowy potrafiłby obliczyć odpowiadający klucz prywatny na podstawie klucza publicznego, atakujący mógłby potencjalnie podrobić ważne podpisy.

Inne techniki, takie jak AES i funkcje skrótu, są zagrożone w inny sposób. Algorytm Grovera może przyspieszać pewne wyszukiwania, ale nie łamie tych technik w taki sam sposób, w jaki algorytm Shora może osłabić RSA i ECC.

Jakie są ograniczenia quantum computing?

Komputery kwantowe mają nadal duże ograniczenia techniczne.

Jednym z ważnych problemów jest to, że kubity są bardzo wrażliwe na zakłócenia. Ciepło, promieniowanie elektromagnetyczne i inny szum mogą zmieniać stan kwantowy.

Utrata pożądanego stanu kwantowego nazywa się dekoherencją (decoherence).

Jeśli podczas obliczeń pojawi się zbyt wiele błędów, wynik nie będzie już wiarygodny. Dlatego ważna jest kwantowa korekcja błędów (quantum error correction).

W tym celu używa się wielu fizycznych kubitów, które razem tworzą jeden bardziej niezawodny logiczny kubit.

Oznacza to, że komputer kwantowy z dużą liczbą fizycznych kubitów może ostatecznie mieć znacznie mniej użytecznych logicznych kubitów.

Trudna jest też skalowalność. Nie wystarczy po prostu budować coraz więcej kubitów. Muszą one również być dobrze sterowane, współpracować ze sobą i pozostawać niezawodne przez odpowiednio długi czas.

Poza tym quantum computing nie daje przewagi w każdym problemie. Musi istnieć algorytm kwantowy, który potrafi podejść do danego problemu w użyteczny sposób.

Komputery kwantowe nie są więc ogólnym zamiennikiem klasycznych komputerów. Są przeznaczone przede wszystkim do konkretnych rodzajów obliczeń.

Jakie ryzyka niesie quantum computing dla crypto?

W crypto ważne ryzyko związane z quantum computing dotyczy podpisów cyfrowych.

Wiele blockchainów używa klucza publicznego i prywatnego. Klucz prywatny służy do podpisywania transakcji. Klucz publiczny można wykorzystać do sprawdzenia tego podpisu.

Przyszły wydajny komputer kwantowy może w niektórych systemach kryptograficznych potencjalnie obliczyć odpowiadający klucz prywatny na podstawie klucza publicznego.

Atakujący mógłby wtedy potencjalnie sam tworzyć ważne podpisy i przenosić crypto bez zgody prawdziwego właściciela.

To, jak duże jest to ryzyko, zależy od konkretnego blockchaina.

Zależy to na przykład od:

• tego, jakiej kryptografii używa blockchain;
• kiedy klucz publiczny staje się widoczny;
• tego, jak użytkownicy korzystają ze swojego portfela crypto;
• tego, jak łatwo można dostosować protokół.

Ryzyko może też pojawić się podczas przechodzenia na nowe zabezpieczenia.

Nie tylko sam blockchain musi obsługiwać nową kryptografię. Również portfele, giełdy crypto, rozwiązania depozytowe i inne oprogramowanie muszą zostać odpowiednio wcześnie dostosowane.

Nowe podpisy postkwantowe mogą być też większe niż obecne podpisy. Może to wpłynąć na rozmiar transakcji, przechowywanie danych, przepustowość, czas przetwarzania i opłaty.

Mogą zostać dotknięte również systemy poza blockchainem. Chodzi na przykład o szyfrowaną komunikację, przechowywane dane lub inne elementy infrastruktury wokół crypto.

W takich przypadkach harvest now, decrypt later może stać się problemem nawet wcześniej niż na samym blockchainie.

Czy quantum computing może złamać Bitcoin?

Nie przy użyciu komputerów kwantowych, które istnieją obecnie.

Aby praktycznie zaatakować Bitcoin za pomocą quantum computing, potrzebny byłby znacznie potężniejszy i odporny na błędy komputer kwantowy. Taki system obecnie nie istnieje i nie wiadomo, kiedy to się zmieni.

Bitcoin wykorzystuje kryptografię krzywych eliptycznych do podpisów cyfrowych.

Tradycyjne transakcje Bitcoin używają ECDSA z krzywą secp256k1. Od czasu aktualizacji Taproot Bitcoin obsługuje także podpisy Schnorra.

Obie techniki mogą w teorii stać się podatne na algorytm Shora.

Ważnym szczegółem jest to, kiedy klucz publiczny staje się widoczny.

W przypadku niektórych adresów Bitcoin na blockchainie najpierw widoczny jest tylko skrót klucza publicznego. Gdy wydajesz bitcoiny, pełny klucz publiczny staje się widoczny.

Oznacza to, że ryzyko nie działa dokładnie tak samo w przypadku każdego bitcoina.

Dlatego zbyt prosto byłoby powiedzieć, że komputer kwantowy po prostu „złamie Bitcoin”.

Atak zależy między innymi od tego, jak wydajny jest komputer kwantowy, które klucze publiczne są widoczne, jak szybko można przeprowadzić taki atak i jak zareaguje na to sieć Bitcoin.

Funkcje skrótu, takie jak SHA-256, również nie są atakowane w ten sam sposób co podpisy cyfrowe.

Algorytm Grovera może w teorii przyspieszać niektóre ataki, ale jest to inny rodzaj ryzyka niż atak algorytmu Shora na kryptografię krzywych eliptycznych.

Jak blockchainy mogą chronić się przed komputerami kwantowymi?

Najważniejszym rozwiązaniem jest zastąpienie podatnej kryptografii kryptografią, która ma być odporna na ataki kwantowe.

Nazywa się to kryptografią postkwantową (post-quantum cryptography).

W przypadku blockchainów oznacza to na przykład możliwość dodania nowych typów adresów i podpisów cyfrowych.

Użytkownicy mogą następnie przenosić swoje crypto na adresy korzystające z takiego nowego zabezpieczenia.

Ważnym pojęciem jest tu crypto-agility. Oznacza ono, że system może wymienić swoje zabezpieczenia kryptograficzne, gdy zajdzie taka potrzeba.

Dla blockchaina nie jest to proste. Protokół trzeba zmienić, a portfele, giełdy i inne oprogramowanie muszą obsługiwać nowe zasady.

Również obecni użytkownicy muszą mieć możliwość bezpiecznego przeniesienia swoich środków.

W przypadku Bitcoina może też pomóc nieużywanie ponownie adresów i kluczy publicznych bez potrzeby. Dzięki temu klucz publiczny pozostaje widoczny krócej.

To jednak nie jest pełne rozwiązanie. Gdy transakcja zostanie wydana, klucz publiczny nadal może stać się widoczny.

Dlatego pojawiają się także propozycje, które mają lepiej przygotować Bitcoin na możliwe zagrożenie kwantowe.

Jednym z przykładów jest Pay-to-Merkle-Root, w skrócie P2MR. Ta propozycja ma ograniczyć długotrwałą ekspozycję niektórych kluczy publicznych.

Obecnie jest to tylko propozycja, a nie aktywna reguła Bitcoina.

Pełna ochrona ostatecznie wymagałaby także podpisów cyfrowych odpornych na znane ataki kwantowe.

Czym jest kryptografia postkwantowa?

Kryptografia postkwantowa (post-quantum cryptography), często skracana do PQC, to kryptografia zaprojektowana tak, aby była odporna na znane ataki zarówno klasycznych, jak i kwantowych komputerów.

PQC działa na zwykłych komputerach. Nie potrzebujesz więc komputera kwantowego, aby korzystać z kryptografii postkwantowej.

To coś innego niż kryptografia kwantowa (quantum cryptography). W niej wykorzystuje się same właściwości fizyki kwantowej, na przykład do wymiany kluczy.

W kryptografii postkwantowej używa się natomiast nowej matematyki, aby lepiej chronić istniejące komputery przed przyszłymi atakami kwantowymi.

W 2024 roku opublikowano pierwsze ważne standardy postkwantowe.

Należą do nich:

• ML-KEM do bezpiecznej wymiany lub uzgadniania tajnych kluczy;
• ML-DSA do podpisów cyfrowych;
• SLH-DSA do podpisów cyfrowych opartych na funkcjach skrótu.

Metody te wykorzystują inne problemy matematyczne niż RSA i kryptografia krzywych eliptycznych.

Postkwantowa nie oznacza, że taka kryptografia będzie nie do złamania na zawsze. Techniki kryptograficzne są nadal badane i testowane.

W przypadku blockchainów wyzwanie nie polega też wyłącznie na wyborze nowego algorytmu. Znaczenie mają również rozmiar transakcji, koszty weryfikacji, portfele, zarządzanie kluczami i zgodność z istniejącymi systemami.

Podsumowanie

Quantum computing wykorzystuje kubity, aby wykonywać niektóre obliczenia inaczej niż klasyczny komputer. Może to być szczególnie przydatne w przypadku konkretnych trudnych problemów, takich jak symulowanie cząsteczek i pewne obliczenia matematyczne. Do zwykłych zadań komputer klasyczny pozostaje znacznie lepszym wyborem.

W przypadku crypto najważniejsze jest to, że przyszłe komputery kwantowe mogą osłabić niektóre formy kryptografii. Może to mieć wpływ na bezpieczeństwo kluczy prywatnych i podpisów cyfrowych. Dzisiejsze komputery kwantowe są jeszcze dalekie od tego, by praktycznie łamać Bitcoin lub powszechnie używaną kryptografię.

Mimo to już teraz trwają prace nad ochroną przed przyszłymi atakami kwantowymi. Ważnym rozwiązaniem jest kryptografia postkwantowa. W przypadku blockchainów taka zmiana oznacza, że protokoły, portfele i inne systemy muszą zostać odpowiednio wcześnie dostosowane i nadal dobrze ze sobą współpracować.