Почему квантовые компьютеры ставят под угрозу безопасность блокчейна

Биткойн и прочие криптовалюты могут потерпеть крах, если не смогут интегрироваться с квантовыми технологиями

К 2025 году до 10% национального валового продукта государств, по всей видимости, будет храниться в блокчейнах. Блокчейн представляет собой цифровой инструмент, который использует криптографические технологии для защиты информации от несанкционированного изменения. Он лежит в основе криптовалюты Биткойн. Продукты, связанные с блокчейном, можно встретить в любой сфере – начиная от финансов и производства до системы здравоохранения, а общая стоимость рынка превышает 150 миллиардов долларов США.
Когда информация – это деньги, немаловажное значение имеют вопросы безопасности, прозрачности и чёткой отчётности. Блокчейн представляет собой защищённую цифровую запись, этакий «цифровой гроссбух». Это цепочка данных, которая поддерживается пользователями со всего мира, не имея центральной администрации. Решения касательно добавления в цепочку записей или блоков принимаются на основе общего консенсуса – таким образом, здесь нет места для персонального фактора. Любая внутренняя или внешняя часть сети может провести проверку целостности «книги», используя метод простых подсчётов.

Однако максимум через десять лет квантовые компьютеры смогут взламывать критографические коды блокчейна. Ниже авторы статьи «Quantum computers put blockchain security at risk», опубликованной в журнале Nature, познакомят читателей с основными фактами, свидетельствующими о том, что квантовая технология делает блокчейны уязвимыми, а также объяснят, как она же может сделать их более защищёнными.

Односторонние коды
Безопасность блокчейна основана на использовании «односторонних» математических функций. Их очень просто запускать на стандартном компьютере, но при этом их крайне сложно рассчитать в обратном направлении. К примеру, процесс умножения двух больших простых чисел достаточно прост, однако найти простые множители производного сложно – для решения этой задачи обычному компьютеру может потребоваться много лет.

Такие функции применяются для генерации цифровых подписей, который блокчейн использует для проведения авторизации. Их легко проверить и крайне сложно подделать. Односторонние функции также используются для подтверждения истории транзакций в книге записей блокчейна. Хэш – короткая цепочка битов – получается от сочетания существующих данных книги записей и блока, который необходимо добавить; эта комбинация изменяется всякий раз при изменении контента. Повторимся, найти хэш блока достаточно просто (обработать информацию, которая используется при добавлении записи), однако, очень трудно отыскать блок, дающий необходимое значение для хэша. Это потребовало бы проведения обратной операции – противоположной той, которая генерировала хэш.

Система Биткойн также предусматривает, что хэш должен отвечать математическим условиям. Каждый, кто желает добавить блок в книгу, должен запустить на своём компьютере случайный поиск, оставив его в таком режиме до момента удовлетворения условия. Этот процесс замедляет добавление блоков, позволяя записывать и проверять всё каждому, кто входит в сеть. Такая система также не позволяет никому монополизировать управление сетью, поскольку блоки добавлять может каждый, кто обладает достаточной вычислительной мощностью.

Однако уже через десять лет квантовые компьютеры научатся вычислять односторонние функции и, в частности, блокчейны, которые используются для обеспечения безопасности интернета и финансовых транзакций. И тогда широко используемая ныне система одностороннего шифрования вмиг станет бесполезной.

В прошлом информационная безопасность неоднократно сталкивалась с подобными проблемами. К примеру, в период Второй мировой войны немецкая армия шифровала свои сообщения, используя машину Enigma, что давало странам Оси силу и преимущество ровно до тех пор, пока Союзники не разгадали код Enigma. А в 1997 году так называемый Стандарт шифрования данных – алгоритм шифрования электронных данных, который тогда считался суперсовременным, был взломан специалистами, решившими публично доказать его недостатки. Это запустило новый процесс конкуренции среди желающих создать новый протокол, и результатом этого процесса стало появление сегодняшнего Расширенного стандарта шифрования.

Квантовое преимущество
Квантовые компьютеры для выполнения вычислений используют такие физические эффекты, как суперпозиция состояний и спутывание. В настоящее время их производительность – намного ниже, чем у стандартных компьютеров, однако уже очень скоро они смогут превзойти стандартные компьютеры при выполнении определённых задач. Одним из таких примеров может стать взлом протоколов безопасности, основанных на криптографических алгоритмах, на что математик Питер Шор указал в 1994 году. В частности, в зону риска попадает блокчейн, поскольку использование односторонних функций является единственной линией его защиты – единственной защитой пользователя является его цифровая подпись, в то время как клиенты банка защищены пластиковыми картами, секретными вопросами, проверкой личности и внимательным глазом живых кассиров.

Посему возможность взлома цифровых подписей является очень и очень серьёзной угрозой. Злоумышленник, вооружившийся квантовым компьютером, сможет, используя алгоритм Шора, подделать любую цифровую подпись, представиться её владельцем и завладеть его цифровыми активами. Многие специалисты полагают, что для таких действий потребуется универсальный квантовый компьютер (способный производить самые разнообразные вычисления), на создание которого уйдёт более десятилетия. Однако, некоторые исследователи считают, что это может произойти раньше, благодаря возможности использования первых квантовых вычислительных устройств, обладающих ограниченной функциональностью. В частности, речь идёт об устройствах, разработанных фирмами D-Wave, Google и рядом других компаний.

Квантовые компьютеры будут находить результат быстро, что даст ограниченному числу пользователей, обладающих ими, потенциальную возможность мониторить транзакции, вторгаться в них и монополизировать процесс добавления блоков в книгу Биткойна (процесс, известный как майнинг). Такие лица могут саботировать транзакции, препятствовать регистрации своих действий или удваивать расходы. Международная команда исследователей обратила внимание на возможные результаты таких атак – ранее в этом году был опубликован специальный доклад, в котором были детально расписаны все возможные угрозы и предложены возможные варианты борьбы с ними.

Если для обновления протокола ничего не будет сделано, система криптовалют даст трещину сразу же после появления квантовых компьютеров.

Повышение уровня безопасности
К счастью, квантовым технологиям также есть что предложить миру блокчейна для повышения безопасности и производительности.

Квантовой безопасное шифрование. Квантовая связь по своей природе аутентична – ни один из пользователей не может прикинуться другим пользователем. Такие технологии используют состояние отдельных частиц света (фотонов) для кодирования битов и связи между ними. Базовые законы физики говорят о том, что кванты не могут быть скопированы или измерены без изменения. А значит, любая попытка перехвата информации будет мгновенно выявлена.

Квантовая криптография может использоваться для замены классических цифровых подписей, а также для шифрования всех пиринговых связей в сети блокчейна. Группа исследователей, занимавшаяся подготовкой данного материала, продемонстрировала работу столь простой системы. Впрочем, сложность и стоимость квантовой криптографической сети будет ограничивать её принятие. В частности, существующие протоколы требуют, чтобы каждый узел сети подключался к другому узлу через оптико-волоконные каналы, поскольку не следует доверять промежуточным узлам – а значит, вся связь должна быть прямой. Будут необходимы протоколы для поддержания защищённой связи – даже если информация проходит через недоверенные узлы; эти системы уже разработаны, однако, они должны стать более доступными для клиентов.

Ещё одна проблема состоит в потерях фотонов в оптических волокнах. Это ограничивает расстояние, на котором могут действовать современные системы распространения квантовых ключей, несколькими десятками километров. Возможное решение заключается в создании квантового репитера, который использует квантовую телепортацию и квантовую оптическую память для распространения спутанных состояний между сообщающимися частицами. Исследования в этой сфере уже ведутся, однако до создания практического устройства ещё далеко.

Между тем, односторонние функции должны быть стянуты. Предложены некоторые альтернативные функции шифрования, которые должны быть одинаково сложны для обратного расчета с использованием как обычных, так и квантовых компьютеров. Несмотря на то, что они не являются полностью безопасными, они могут запускаться на существующем оборудовании и помогут выиграть время. Однако в долгосрочной перспективе они также могут быть расшифрованы.

Квантовый интернет. Использование квантовых технологий для связи, а также для проведения вычислений в среде данных блокчейна, повысит безопасность, а также увеличит скорость и эффективность блокчейнов. Для всего этого потребуется квантовый интернет – соединение квантовых компьютеров при помощи квантовой коммуникационной сети. После этого появится возможность запуска полностью квантовых блокчейнов. Такие блокчейны смогут обойтись без некоторых шагов, требующих интенсивных вычислений, связанных с действующей системой авторизации и согласования, что повысит их эффективность и безопасность. Может быть выпущена валюта под условным названием Квантовый Биткойн, и её безопасность будет гарантирована неклонируемой теоремой квантовой механики. Подобного рода квантовые «банкноты», если они появятся и укрепятся в будущем, невозможно будет подделать в силу наличия записей квантовой информации.

Появления квантового интернета следует ожидать через несколько десятилетий, поэтому «слепые квантовые вычисления» следует воспринимать как промежуточный шаг. В этом случае пользователь обычного компьютера может запускать алгоритмы на удалённом квантовом компьютере, без необходимости совместного использования входящих данных или алгоритмов. Данная технология сделает возможным появление публичных облачных платформ для квантовых вычислений, которые сделают блокчейны более дешёвыми и более доступными.

Следующие шаги
Система блокчейна должна обновить существующее программное обеспечение таким образом, чтобы оно давало возможность использовать односторонние криптографические функции, которые одинаково сложно обратно просчитать как при помощи обычных, так и при помощи квантовых компьютеров. До тех же пор, пока данные квантовые решения не будут приняты или стандартизированы, платформы должны оставаться гибкими и готовыми к смене криптографических алгоритмов, что называется – «на лету».

В более долгосрочной перспективе ответом на возникшие угрозы станет разработка и развитие сети квантовой связи, а затем – квантового интернета. Это потребует немалых инвестиций от правительства. Однако, в итоге, страны, принявшие участие в данном процессе, окажутся в выигрыше. К примеру, Канада хранит в секрете данные, полученные в результате переписи, на протяжении 92 лет – срок, в течение которого безопасность может обеспечить лишь квантовая криптография. Правительственные учреждения смогут использовать блокчейновые платформы, защищённые при помощи квантовых технологий, для защиты персональных данных граждан в сфере финансов и охраны здоровья. Страны, являющиеся лидерами в сфере исследований в области квантовых технологий – а это Китай, Соединённые Штаты и страны Европейского Союза – могут быть в числе первых, кто сможет воспользоваться новыми преимуществами. Им следует немедленно вкладывать деньги в исследования. В частности, в Европе следовало бы включить блокчейн в перечень прикладных исследований в рамках программы Полигон дистрибуции квантовых ключей (Quantum Key Distribution Testbed).

Необходимо уделить этой проблеме намного большее внимание – ибо она несёт в себе смертельную опасность для индустрии.

Делитесь своим мнением об этом в комментариях.

Подписывайтесь на новости на нашем сайте и получайте их первыми. Также можно следить за новостями в нашем телеграм-канале