Tuần này, Google công bố một bài nghiên cứu mô tả cách một máy tính lượng tử về mặt lý thuyết có thể suy ra khóa riêng Bitcoin trong 9 phút, kéo theo hệ quả lan sang Ethereum, các token khác, ngân hàng tư nhân và có thể là mọi thứ trong thế giới này.
Máy tính lượng tử rất dễ bị hiểu nhầm là một phiên bản nhanh hơn của máy tính thông thường. Nhưng nó không phải là một con chip mạnh hơn hay một cụm máy chủ lớn hơn. Nó là một loại máy hoàn toàn khác, khác ngay từ cấp độ nguyên tử.
Một máy tính lượng tử bắt đầu bằng một vòng kim loại rất nhỏ, rất lạnh, nơi các hạt bắt đầu cư xử theo những cách mà chúng không cư xử trong điều kiện bình thường trên Trái Đất, những cách làm thay đổi điều mà chúng ta vẫn xem là các quy luật vật lý cơ bản.
Hiểu được điều đó, theo nghĩa vật lý, chính là ranh giới giữa việc chỉ đọc về mối đe dọa lượng tử và thực sự nắm được nó.
Máy tính và máy tính lượng tử thực sự hoạt động thế nào
Máy tính thông thường lưu trữ thông tin bằng bit — mỗi bit chỉ là 0 hoặc 1. Bit là một công tắc siêu nhỏ. Về mặt vật lý, nó là một transistor trên “chip” — một cổng vi mô hoặc cho điện đi qua (1) hoặc không cho đi qua (0).
Mọi bức ảnh, mọi giao dịch Bitcoin, mọi từ bạn từng gõ đều được lưu dưới dạng các mẫu công tắc bật hoặc tắt như vậy. Không có gì bí ẩn ở một bit; nó là một vật thể vật lý ở một trong hai trạng thái xác định.
Mọi phép tính đơn giản chỉ là sắp xếp các số 0 và 1 đó thật nhanh. Một con chip hiện đại có thể làm hàng tỷ phép như vậy mỗi giây, nhưng nó vẫn thực hiện từng phép một, theo thứ tự.
Máy tính lượng tử dùng thứ được gọi là qubit thay vì bit. Một qubit có thể là 0, 1, hoặc — và đây là phần kỳ lạ — cả hai cùng một lúc!
Điều này có thể xảy ra vì qubit là một loại vật thể vật lý hoàn toàn khác. Dạng phổ biến nhất, và cũng là loại Google sử dụng, là một vòng kim loại siêu dẫn cực nhỏ được làm lạnh tới khoảng 0,015 độ trên độ không tuyệt đối, lạnh hơn cả ngoài không gian nhưng vẫn tồn tại trên Trái Đất.
Ở nhiệt độ đó, điện chạy qua vòng mà không gặp điện trở, và dòng điện được cho là đang ở trong một trạng thái lượng tử.
Trong vòng siêu dẫn đó, dòng điện có thể chạy theo chiều kim đồng hồ (gọi là 0) hoặc ngược chiều kim đồng hồ (gọi là 1). Nhưng ở thang lượng tử, dòng điện không nhất thiết phải chọn một hướng và thực sự chảy theo cả hai hướng cùng lúc.
Đừng nhầm nó với việc chuyển qua lại giữa hai trạng thái thật nhanh. Dòng điện đó có thể đo được, kiểm chứng bằng thực nghiệm và xác nhận bằng quan sát là đang ở đồng thời cả hai trạng thái.
Vật lý gây choáng ngợp
Đến đây ổn chứ? Tốt, vì phần tiếp theo mới thật sự kỳ lạ, bởi vật lý đằng sau cách nó hoạt động vốn không trực quan ngay lập tức, và cũng không được sinh ra để trực quan.
Mọi thứ mà con người tương tác trong đời sống hằng ngày đều tuân theo vật lý cổ điển, vốn giả định rằng vật thể ở một nơi tại một thời điểm. Nhưng các hạt không cư xử như vậy ở thang siêu nhỏ.
Một electron không có vị trí xác định cho tới khi bạn nhìn vào nó. Một photon không có phân cực xác định cho tới khi bạn đo nó. Một dòng điện trong vòng siêu dẫn không chảy theo hướng xác định cho tới khi bạn buộc nó phải chọn.
Lý do chúng ta không trải nghiệm điều này trong đời sống thường ngày là hiện tượng mất kết hợp lượng tử. Khi một hệ lượng tử tương tác với môi trường của nó, các phân tử không khí, nhiệt, rung động và ánh sáng, trạng thái chồng chập sẽ sụp đổ gần như ngay lập tức.
Một quả bóng đá không thể ở hai nơi cùng lúc vì nó đang tương tác với hàng nghìn tỷ phân tử không khí, bụi, âm thanh, nhiệt, trọng lực, v.v. mỗi nan giây. Nhưng nếu cô lập một dòng điện cực nhỏ trong môi trường chân không gần độ không tuyệt đối, che chắn nó khỏi mọi nhiễu loạn có thể có, thì hành vi lượng tử sẽ tồn tại đủ lâu để tính toán.
Đó là lý do vì sao máy tính lượng tử cực khó chế tạo. Các nhà khoa học đang thiết kế những môi trường vật lý nơi các quy luật vốn ngăn chặn hiện tượng này bị kìm lại đủ lâu để chạy xong một phép tính.
Máy của Google hoạt động trong các tủ lạnh pha loãng có kích thước như những căn phòng lớn, lạnh hơn bất cứ thứ gì tồn tại trong tự nhiên, được bao bọc bởi nhiều lớp che chắn khỏi nhiễu điện từ, rung động và bức xạ nhiệt.
Và qubit vẫn cực kỳ mong manh ngay cả khi như vậy. Chúng mất trạng thái lượng tử liên tục, vì thế “sửa lỗi” trở thành chủ đề chi phối mọi cuộc thảo luận về việc mở rộng quy mô.
Vì vậy, máy tính lượng tử không phải là một phiên bản nhanh hơn của máy tính cổ điển. Nó khai thác một bộ quy luật vật lý khác, chỉ áp dụng ở những thang đo cực nhỏ, nhiệt độ cực thấp và trong những khoảng thời gian cực ngắn.
Giờ hãy nhân điều đó lên.
Hai bit thông thường có thể ở một trong bốn trạng thái (00, 01, 10, 11), nhưng chỉ một trạng thái tại một thời điểm (vì dòng điện chỉ chảy theo một hướng). Hai qubit có thể biểu diễn cả bốn trạng thái cùng lúc, vì dòng điện đang chảy theo mọi hướng cùng lúc.
Ba qubit biểu diễn tám trạng thái. Mười qubit biểu diễn 1.024. Năm mươi qubit biểu diễn hơn một triệu tỷ. Con số tăng gấp đôi với mỗi qubit được thêm vào, vì thế việc mở rộng là cực kỳ theo cấp số mũ.
Mẹo thứ hai là thứ gọi là rối lượng tử. Khi hai qubit bị rối, việc đo một qubit lập tức cho người quan sát biết điều gì đó về qubit kia, bất kể chúng cách nhau xa đến đâu. Điều này cho phép một máy tính lượng tử phối hợp trên toàn bộ tập hợp trạng thái đồng thời đó theo cách mà tính toán song song thông thường không thể làm được.
Và các máy tính lượng tử này được thiết lập sao cho các đáp án sai triệt tiêu lẫn nhau (giống như những gợn sóng chồng lên rồi làm phẳng nhau) còn đáp án đúng được khuếch đại (giống như các làn sóng chồng cao lên). Đến cuối phép tính, đáp án đúng có xác suất được đo thấy cao nhất.
Vì vậy, đây không phải là tốc độ brute-force. Đây là một cách tính toán hoàn toàn khác — một cách cho phép tự nhiên khám phá một không gian khả năng tăng theo cấp số nhân rồi sau đó “sụp” về đáp án đúng thông qua vật lý chứ không phải logic.
Mối đe dọa khổng lồ đối với mật mã học
Chính vật lý gây choáng ngợp này là lý do nó đáng sợ với mã hóa.
Toán học bảo vệ Bitcoin dựa trên giả định rằng việc kiểm tra mọi khóa có thể mất lâu hơn tuổi của vũ trụ.
Nhưng máy tính lượng tử không kiểm tra từng khóa. Nó khám phá tất cả cùng lúc và dùng giao thoa để làm hiện ra đáp án đúng.
Đó là điểm liên hệ với Bitcoin. Theo một chiều, từ khóa riêng sang khóa công khai, chỉ mất vài mili giây. Theo chiều ngược lại, từ khóa công khai quay về khóa riêng, một máy tính cổ điển sẽ mất một triệu năm, hoặc thậm chí lâu hơn tuổi của vũ trụ. Sự bất đối xứng đó chính là điều chứng minh rằng một người đang nắm giữ số coin của họ.
Một máy tính lượng tử chạy thuật toán mang tên Shor có thể đi ngược qua “cửa ải” đó. Bài nghiên cứu của Google tuần này cho thấy nó có thể làm vậy với ít tài nguyên hơn rất nhiều so với ước tính trước đó của mọi người, và trong một khung thời gian cạnh tranh trực tiếp với thời gian xác nhận block của Bitcoin.
Đây là lý do vì sao mối đe dọa từ máy tính lượng tử phá vỡ mã hóa blockchain đang khiến mọi người thực sự lo lắng.
Những gì một cuộc tấn công như vậy diễn ra từng bước ra sao, bài nghiên cứu của Google đã thay đổi cụ thể điều gì, và nó có ý nghĩa gì đối với 6,9 triệu bitcoin đã bị lộ, sẽ là chủ đề của phần tiếp theo trong loạt bài này.
