Google teilte mit, dass sein Quantenchip Willow die Fehler bei der Erzeugung von „Magic States“ – einer spezialisierten Ressource, die für Quantenberechnungen benötigt wird und Bitcoin-Wallets langfristig bedrohen könnte – etwa um den Faktor 40 reduziert hat. Die Ergebnisse wurden diese Woche in Science veröffentlicht.

Das Experiment erreichte unter den bestandenen Zuständen eine Treue von etwa 99,99 Prozent, wobei nur rund 8 Prozent der Erzeugungsversuche erfolgreich waren und erhebliche Skalierungsherausforderungen bestehen.

Die Ergebnisse machen einen Angriff auf Bitcoin nicht 40-mal günstiger. Stattdessen bringen sie eine Ingenieursmethode voran, die künftigen Quantencomputern helfen könnte, die unter einem modellierten Angriff erforderlichen rund 500.000 zuverlässigen Magic States pro Sekunde bereitzustellen.

Die Arbeit widmet sich einer Herausforderung, die in der Debatte über Quantencomputing und Bitcoin selten vorkommt: Diese konzentriert sich in der Regel darauf, wie groß eine Maschine für einen Angreifer sein müsste, während weniger beachtet wird, wie viel dieser Maschine allein für die Vorbereitung der Berechnung beansprucht würde.

Warum die ältesten Coins einem Angreifer mehr Zeit geben

Eine Bitcoin-Wallet verwendet einen geheimen Schlüssel, um Zahlungen zu genehmigen, und einen passenden öffentlichen Schlüssel, mit dem das Netzwerk diese Genehmigungen prüfen kann. Eine Ausgabe legt den öffentlichen Schlüssel in der Regel offen, während einige Zahlungsformen ihn von vornherein offenlegen.

Der Rückschluss vom öffentlichen Schlüssel auf das Geheimnis soll eine praktisch unmögliche Rechenmenge erfordern, weshalb sich Krypto-Wallets praktisch nicht rückwärts rekonstruieren lassen. Ein ausreichend großer Quantencomputer, der Shors Algorithmus ausführt, könnte diese Rechnung theoretisch jedoch leisten. Wer den geheimen Schlüssel wiederherstellte, könnte Transaktionen als Eigentümer signieren, und das Netzwerk würde sie als echt akzeptieren. Der Mathematiker Peter Shor veröffentlichte die Methodestmals 1994, doch niemand hat sie bislang demonstriert.

Eine in einer physischen Schublade verwahrte Wiederherstellungsphrase bietet dagegen keinen Schutz, da der Angreifer auf Informationen zugreifen würde, die bereits auf der Blockchain liegen.

Einige neuere Zahlungsformate verbergen den öffentlichen Schlüssel hinter einem Hash – einem digitalen Fingerabdruck – bis der Eigentümer ausgibt. Ein Angreifer, der einen zuvor verborgenen Schlüssel ins Visier nimmt, müsste auf diese Offenlegung warten und müsste das Geheimnis möglicherweise schnell genug wiederherstellen, um in die Zahlung einzugreifen.

Das ist auch der Grund, warum verlorene Coins ein schwieriges Problem darstellen. Bitcoin kann stärkere Ausgabeschutzmechanismen einführen, aber um alte Bestände dorthin zu übertragen, braucht jemand weiterhin die bestehenden Schlüssel. Sind diese verloren, kann der Eigentümer die Übertragung nicht vornehmen – und der offenliegende öffentliche Schlüssel bleibt einem künftigen Angreifer verfügbar.

Bestände aus den frühesten Jahren von Bitcoin werden oft als „Satoshi-Ära“ bezeichnet, nach dem pseudonymen Schöpfer des Netzwerks; viele frühe Belohnungen wurden direkt an den öffentlichen Schlüssel gezahlt – ein Format, bei dem der Schlüssel selbst statt eines Hashs auf der Blockchain liegt. Einige der ältesten Bitcoin-Bestände haben ihre öffentlichen Schlüssel seit dem Mining offenbart, und alte Coins bewegen sich, während die Quanten-Debatte lauter wird. Am 7. Oktober wurden 100.02 BTC, die seit Juli 2010 unberührt waren, nach mehr als 16 Jahren bewegt – mit einem Wert von rund 8,5 Millionen Dollar. Im August bewegten sechs Wallets, die seit 2011–2014 inaktiv waren, weitere 553.59 BTC – damals etwa 40 Millionen Dollar wert.

Diese Transfers belegen nicht allein, dass Halter auf Quantenängste reagieren; das Verschieben von Coins kann ebenso bedeuten, dass Wallets gewechselt, Bestände umorganisiert oder Verkäufe vorbereitet werden.

Die Kosten der Vorbereitung

Quantencomputer speichern Informationen in Einheiten namens Qubits, die äußerst empfindlich sind. Hitze, Vibrationen und Streusignale können sie stören und Fehler verursachen, und mehr Qubits bedeuten auch mehr Möglichkeiten für Fehler.

Ingenieure begegnen dem, indem sie viele physische Qubits zu Gruppen organisieren, die Fehler erkennen und korrigieren. Jede Gruppe verhält sich wie eine zuverlässigere Einheit, ein sogenanntes logisches Qubit. Diese Einheiten benötigen dann das digitale Äquivalent von Treibstoff für bestimmte Operationen: speziell erzeugte Quantenzustände, die Forscher „Magic States“ nennen. Jeder wird bei der Nutzung verbraucht, sodass der Computer sie während einer gesamten Berechnung kontinuierlich erzeugen muss.

Man denke an eine Restaurantküche, in der jedes Gericht eine frische Portion einer Sauce benötigt, die nicht wiederverwendet werden kann und in der ein Teil des Personals ununterbrochen Sauce ansetzen muss, während die anderen kochen. In einem Quantencomputer ist Hardware, die der Erzeugung von Magic States dient, Hardware, die keiner anderen Arbeit zugewiesen werden kann.

Dieser Overhead bedeutet, dass ein potenzieller Angreifer zwei Probleme gleichzeitig lösen muss: eine Maschine aufzubauen, die groß genug für die Berechnung ist, und sie über die gesamte Dauer mit Zuständen zu versorgen.

Googles Methode, Cultivation (Anzucht) genannt, beginnt mit einer groben Version des Zustands, prüft sie auf Fehler und verwirrt fehlgeschlagene Versuche. Ziel ist es, saubere Zustände mit weniger Hardware zu erzeugen, als ältere Methoden benötigten.

Das Unternehmen berichtete von einer Treue von etwa 99,99 % – ein Maß dafür, wie nahe die fertigen Zustände dem Ziel der Forscher kamen. Diese Zahl gilt nur für die bestandenen Zustände. Willow behielt nach den Prüfungen während Erzeugung und Messung etwa 8 % seiner Versuche. Von 100 Versuchen kamen rund acht durch.

Die nächsten Schritte umfassen, den Prozess in deutlich größerem Maßstab zu betreiben und die Zustände nützlich zu halten, während sie in längere Berechnungen einfließen. Die Forscher sagen, dass mehr Arbeit an Echtzeitoperationen und an der Überführung der Zustände in stärkere Fehlerkorrektur-Setups nötig ist.

Einordnung in frühere Forschung

Im März schätzte Google, dass ein künftiger supraleitender Quantencomputer mit weniger als 500.000 physischen Qubits die von Bitcoin und Ethereum verwendete Wallet-Kryptografie brechen könnte – unter einer bestimmten Annahmen über die Hardware. Im September berichtete CoinDesk über Forscher, die den Rechenaufwand einer zentralen Berechnung dieses Angriffs reduzierten. Jene Arbeit deckte eine Komponente ab und ließ den vollständigen Angriff sowie die physischen Hardwarekosten seiner Ausführung außer Acht.

Diese Studien verringern die Rechmenge, die ein Angreifer bewältigen muss. Cultivation adressiert die Kosten der Versorgung der Maschine, während sie diese Rechnung ausführt. Die Gewinne lassen sich nicht einfach multiplizieren: Googles März-Schätzung setzte bereits eine effiziente Magic-State-Erzeugung voraus, und das Experiment prüft einen Teil jenes Ingenieursansatzes, statt eine weitere 40-fache Reduktion der geschätzten Angriffskosten auf Bitcoin zu liefern.

Insgesamt zeichnet die Arbeit die verbleibende Ingenieurs-Checkliste nach – genügend physische Qubits, eine schlankere Berechnung und eine zuverlässige Zustandsversorgung –, wobei jeder Punkt bislang einzeln und nicht als komplette Maschine demonstriert wurde.

Das März-Papier zeigt auch, wie viel Treibstoff ein Angriff verbrauchen würde. Für einen modellierten Angriff von etwa neun Minuten nach Verfügbarkeit eines öffentlichen Schlüssels schätzte Google, dass die Maschine rund 500.000 ausreichend zuverlässige Magic States pro Sekunde benötigte.

Bis Cultivation und die anderen Komponenten im großen Maßstab im Zusammenspiel nachgewiesen sind, bleibt der modellierte Angriff eine Hardware-Schät und keine operative Fähigkeit.