Die Quantum-Ausgabe: Was Quantencomputer für Bitcoin bedeuten könnten

Was ist Quantencomputing? Wie unterscheidet sich ein Quantencomputer von einem klassischen Computer, und welche Bedeutung könnte diese Technologie für Bitcoin haben?

Mit diesen Fragen werden neue Bitcoin-Nutzer unweigerlich konfrontiert, wenn sie sich mit Bitcoins möglicher Gefährdung durch eine existenzielle Bedrohung auseinandersetzen, die entstehen könnte, falls ein funktionsfähiger Quantencomputer entwickelt wird. Der Besitz von Bitcoin beruht auf einer grundlegenden Annahme: Ohne direkt eine Kopie eines privaten Schlüssels zu erhalten, kann niemand außer der Person, die diesen Schlüssel besitzt, eine Transaktion signieren, mit der die dadurch gesicherten Coins ausgegeben werden. Quantencomputing stellt diese Annahme infrage.

Quantencomputer sind nicht einfach „Computer, aber schneller“. Sie funktionieren grundlegend anders als klassische Computer und sind deshalb bei bestimmten Rechenarten deutlich effizienter. Dieser Artikel versucht nicht, Quantencomputing in umfassender technischer Detailtiefe zu erklären. Stattdessen vermittelt er anschaulich, worin sich klassische und Quantencomputer unterscheiden, insbesondere beim Umgang mit großen kryptografischen Schlüsselräumen.

Klassische Computer

Alles, was in einem klassischen Computer gespeichert wird, wird als eine Folge von 1en und 0en dargestellt. Jedes Bit ist eindeutig entweder eine 1 oder eine 0; es gibt keine Unklarheit. Daten werden als 1en und 0en gespeichert, und wenn diese Daten verarbeitet oder verändert werden, geschieht dies Bit für Bit und Schritt für Schritt.

Ein klassischer Computer verändert daher diskrete, eindeutige Datenelemente in einer linearen Abfolge. Er kann innerhalb der für eine Berechnung erforderlichen Schritte nicht einfach vorspringen oder eine Abkürzung nehmen. Er muss diese Schritte nacheinander ausführen, auch wenn effizientere mathematische Methoden den Gesamtaufwand verringern können.

Wenn auf einem Computer ein privater Schlüssel erzeugt wird, beschafft das Gerät einen Zufallswert. Dieser Wert kann beispielsweise aus von einem Nutzer eingegebenen Würfelergebnissen, allgemeinen Nutzereingaben oder der vom Gerät erzeugten Hardware-Zufälligkeit stammen. Der Computer speichert den Wert als 1en und 0en im Speicher. Anschließend multipliziert er den Wert des privaten Schlüssels mit dem Erzeugerpunkt der elliptischen Kurve, um einen öffentlichen Schlüssel zu erzeugen.

Auf der grundlegendsten Ebene besteht dieser Prozess aus algorithmischen Anweisungen, die festlegen, welche Bits verwendet, wie sie verändert und von welchen physischen Schaltkreisen sie verarbeitet werden sollen. Der resultierende Wert wird anschließend nach seiner bitweisen Veränderung wieder im Speicher abgelegt. Um eine gültige Adresse zu erhalten, sind weitere Schritte erforderlich. Diese folgen jedoch demselben allgemeinen Muster sequenzieller Anweisungen, die 1en und 0en im Speicher verändern.

Was würde geschehen, wenn jemand versuchen würde, mit einem klassischen Computer den privaten Schlüssel einer anderen Person zu erraten?

Es gibt 2^256 mögliche private Schlüssel. Das sind 115,792,089,237,316,195,423,570,985,008,687,907,853,269,984,665,640,564,039,457,584,007,913,129,639,936 mögliche Schlüssel.

Ein Computer müsste diese privaten Schlüssel nacheinander testen oder so viele gleichzeitig prüfen, wie er parallel verarbeiten könnte, und dabei dieselben schrittweisen Anweisungen befolgen, die zur Erzeugung öffentlicher Schlüssel verwendet werden. Je mehr Schlüssel gleichzeitig getestet würden, desto mehr Rechenleistung wäre erforderlich. Es gäbe keine Abkürzung, um diesen Aufwand zu umgehen.

Weniger Rechenleistung zu verwenden, würde mehr Zeit erfordern. Die benötigte Zeit zu verkürzen, würde mehr Rechenleistung erfordern. Mit klassischer Computertechnik ist diese Aufgabe praktisch unmöglich: Der erforderliche Rechenaufwand übersteigt die Kapazitäten aller Computer auf der Erde, während die benötigte Zeit so groß wäre, dass jeder Stern im Universum erlöschen würde, bevor alle möglichen Schlüssel getestet wären.

Um das Ziel zu erreichen, ist eine Alternative zur sequenziellen oder parallelen Prüfung der Schlüssel erforderlich. Genau hier wird Quantencomputing relevant.

Quantencomputer

Quantencomputer arbeiten nicht auf dieselbe Weise mit diskreten Zuständen wie klassische Computer. Ihre grundlegende Informationseinheit ist das Qubit, das quantenmechanische Gegenstück zum Bit. Anders als ein klassisches Bit, das entweder eine 1 oder eine 0 ist, befindet sich ein Qubit in einer Superposition, in der es gleichzeitig eine 1 und eine 0 sein kann. Bei einer Beobachtung nimmt es einen dieser diskreten Zustände an.

Die Superposition ist einer der grundlegenden Bausteine, die Quantencomputer zu einer anderen Art des Rechnens befähigen. Ein weiterer ist die Verschränkung. Qubits werden nicht zwangsläufig isoliert gespeichert. Die sie repräsentierenden physischen Atome können miteinander verschränkt sein. Das bedeutet: Wenn verschränkte Atome beobachtet werden und in einen einzelnen Zustand kollabieren, kollabieren die verschränkten Atome unabhängig von ihrer Entfernung in denselben Zustand.

Der Unterschied lässt sich anschaulich durch einen Vergleich von Algorithmen verstehen. Auf einem klassischen Computer ist ein Algorithmus eine Reihe von Anweisungen, die eine bestimmte Anordnung von Bits Schritt für Schritt verändert, bis sie eine endgültige Anordnung von Bits hervorbringt. Der Algorithmus wandelt durch eine Folge von Operationen einen diskreten Zustand in einen anderen um.

Qubits speichern keine diskreten Zustände, bis eine Beobachtung sie dazu bringt, in einen solchen Zustand zu kollabieren. Stattdessen speichern sie Wahrscheinlichkeiten. Bei einer Menge verschränkter Qubits einer bestimmten Größe – im hier betrachteten hypothetischen Fall 2^256 – besitzt jeder mögliche Zustand eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, der Zustand zu sein, in den das System kollabiert.

Quantenalgorithmen sind daher nicht einfach schrittweise Anweisungen zur Verarbeitung fester, diskreter Zustände. Sie geben Anweisungen für die Verarbeitung verschränkter Qubits auf eine Weise, die die Wahrscheinlichkeiten verschiedener Ergebnisse verändert. Konstruktive Interferenz erhöht die Wahrscheinlichkeit eines korrekten Ergebnisses, während destruktive Interferenz die Wahrscheinlichkeit falscher Ergebnisse verringert. Dies ist nicht dasselbe wie das Rauschen oder die Interferenz, die den präzisen Betrieb physischer Quantencomputer erschweren; es handelt sich um ein separates Konzept.

Ein klassischer Computer müsste einzelne private Schlüssel nacheinander prüfen, um den zu einem bestimmten öffentlichen Schlüssel gehörenden Schlüssel zu finden. Ein Quantencomputer könnte stattdessen den passenden Algorithmus eine begrenzte Anzahl von Malen ausführen und zur richtigen Antwort gelangen. Dies würde nicht dadurch geschehen, dass er buchstäblich „alle Möglichkeiten gleichzeitig prüft“. Vielmehr würde er die Wahrscheinlichkeiten der Ergebnisse verändern, in die die Superposition kollabieren kann.

Deshalb könnte ein Quantencomputer die Annahmen hinter der Kryptografie mit elliptischen Kurven auf eine Weise untergraben, die ein klassischer Computer nicht leisten kann. Dies erklärt auch, warum Quantencomputer nur für bestimmte Rechenarten geeignet sind, darunter Probleme mit einem sehr großen Raum möglicher Antworten.

Keine Panik

Der grundlegende Unterschied zwischen klassischem und quantenmechanischem Rechnen bedeutet: Wenn ein funktionsfähiger Quantencomputer entwickelt würde und korrekt arbeitete, wäre die grundlegende Annahme, die den Besitz einzelner Bitcoin absichert, gebrochen. Diese Guthaben wären nicht sicher.

Das wäre ein ernstes Risiko, wenn ein solches Gerät hergestellt würde und wie erforderlich funktionierte. Bitcoin ist jedoch nicht völlig unvorbereitet. Das Problem und die mögliche Gefährdung sind bekannt, und zahlreiche mögliche Lösungen für verschiedene Aspekte des Problems werden entwickelt.

Atmen Sie durch und bleiben Sie ruhig. Der Rest dieser Ausgabe untersucht das umfassendere Problem ausführlich.

Dieser Beitrag ist in der neuesten Printausgabe von Bitcoin Magazine, The Quantum Issue, enthalten. Er wird online als früher Einblick in die Ideen geteilt, die in der vollständigen Ausgabe behandelt werden.

Der Artikel erschien zuerst auf Bitcoin Magazine und wurde von Shinobi verfasst.