De nieuwste printeditie van Bitcoin Magazine, The Quantum Issue, bevat een essay van Brandon Black waarin hij betoogt dat de dreiging van een cryptografisch relevante quantumcomputer (CRQC) — een machine die geheime sleutels kan afleiden uit publieke sleutels en Bitcoin-transacties kan ondertekenen die de munten van anderen verplaatsen — angst, onzekerheid en twijfel (FUD) blijft in plaats van een reëel gevaar. Er is volgens het essay geen bewijs dat zo'n machine binnen tien jaar gebouwd zal worden, en het is onbekend of er ooit één gebouwd zal worden.

Zolang Bitcoin bestaat, worden er nieuwe vormen van FUD ingezet om de ondergang ervan te voorspellen. Ondanks die terugkerende voorspellingen is Bitcoin uitgegroeid tot een asset van biljoenen dollars en is het begonnen een plaats in te nemen in de mondiale monetaire orde. In de afgelopen maanden is het spookbeeld van een CRQC teruggekeerd als een geëvolueerde vorm van dat vertrouwde patroon. "Is dit een reële dreiging voor de verdere groei van Bitcoin? In één woord: nee", schrijft Black in het stuk, dat wordt gepresenteerd als een vroege blik op de ideeën die in de volledige editie worden behandeld.

State of the Art

Blacks beoordeling van de huidige stand van het veld is rondborstig. Tot op heden, schrijft hij, heeft geen enkele quantumcomputer iets berekend buiten het bereik van "een eerlijke 6-jarige" — een bewering die hij als empirisch bevestigd beschrijft.

Hij erkent dat quantumcomputers opmerkelijke technologie zijn, met mogelijkheden die uit sciencefiction lijken te komen. De apparaten maken gebruik van fundamentele technologieën optische pincetten, laserkoeling, supergeleidende flux-qubits, elektromagnetische vallen en verdunningskoelers, onder andere. Binnen deze machines worden individuele qubits in specifieke subatomaire toestanden gedwongen — verschillend per kandidaat-technologie — verstrengeld in superposities en gemanipuleerd om berekeningen weer te geven, waarna hun subatomaire eigenschappen worden uitgelezen en geïnterpreteerd.

De opmerkelijke waarheid, aldus het essay, is dat deze apparaten bestaan en kunnen worden gemanipuleerd om zinvolle berekeningen uit te voeren op een handjevol invoer. De harde realiteitscheck is echter schaal: bij één voorbeeld van een kandidaat-technologie vereist het uitvoeren van een berekening die een klein kind kan doen genoeg stroom om een middelbare school in Texas te airconditionen, vele uren opstarttijd en nog eens uren nabewerking.

Geld erin, machines eruit?

Het essay richt zich direct op het argument dat zware investeringen in quantum computing op handen zijnde doorbraken wijzen. Correleert geld dat in een vakgebied stroomt met het tempo van reële technologische vooruitgang in dat gebied? Niet echt, schrijft Black. Sterker nog, hij betoogt dat, totdat de juiste onderliggende technologie is ontwikkeld en de product-market fit is bevestigd, geld die in een gebied stroomt juist negatief kan correleren met de kans dat toepasbare technologie wordt ontwikkeld.

Hij illustreert het punt door NASA's Space Shuttle-programma te vergelijken met SpaceX' Falcon 9. SpaceX bracht (grotendeels) bekende wetenschap naar de praktijk om te voldoen aan een aantoonbare marktbehoefte voor betrouwbare en goedkopere toegang tot de ruimte, tegen programma­kosten van minder dan $5 miljard tot de eerste bemande missie. De Space Shuttle kostte ongeveer $50 miljard om zijn eerste bemande missie te bereiken. Falcon 9 kostte niet alleen een orde van grootte minder om te ontwikkelen, maar heeft tot op heden ook een perfecte veiligheidsregistratie voor bemanning. Hoewel veel factoren het verschil verklaren, is de les volgens het essay dat geen enkele hoeveelheid geld een technologie die nog niet rijp is praktisch bruikbaar maakt.

Vertaald naar quantum computing: met bergen geld die op het probleem worden gegooid zijn technologische demonstraties tegen enorme kosten mogelijk. Maar dat zegt niets over of meer geld de heilige graal van stabiele qubits met weinig fouten zal opleveren — het betrouwheidsequivalent van de Falcon 9. Net zoals geen enkele voortzetting van het Space Shuttle-programma ooit de lage kosten en hoge betrouwbaarheid van de Falcon 9 had opgeleverd, schrijft Black, is het volstrekt aannemelijk dat geen enkele voortzetting van de ontwikkeling, tegen welke kostprijs dan ook, de huidige quantumcomputertechnologieën ooit betrouwbaar genoeg zal maken om zelfs maar één sleutelpaar te breken.

De recente vooruitgang lezen

Het essay formuleert twee belangrijke kanttekeningen bij recent gepubliceerde ontwikkelingen in het veld.

Ten eerste zijn veel van deze ontwikkelingen uitsluitend vooruitgang in de zuivere wiskunde. Black verwijst naar het recente Google-artikel, waarvan de uitkomst zo belangrijk werd geacht dat het team ervoor koos het theoretische quantumcircuit te redigeren in plaats van het risico te lopen dat het zou worden gebruikt om belangrijke cryptografische systemen te breken. Dat lijkt misschien enorme vooruitgang richting toekomstige CRQC's, maar in feite veranderde er niets: tenzij of totdat quantumhardware zijn Falcon 9-moment heeft, komt geen enkel apparaat ook maar in de buurt van de stabiliteit en schaal die nodig zijn om het geredigeerde circuit uit te voeren. Het verbergen van een circuit dat is ontworpen voor een apparaat dat misschien nooit zal bestaan, betoogt hij, is pure theatervoorstelling.

Ten tweede worden er aan de hardwarekant jaarlijks veel nieuwe resultaten en stukjes vooruitgang gepubliceerd — maar hoeveel daarvan hebben betrekking op dezelfde kandidaat-technologie? Hoeveel ervan betekenen simpelweg opnieuw beginnen nadat een eerdere uitkomst op een doodlopende weg eindigde? Deze ontwikkelingen vormen geen lineair spoor naar uiteindelijk succes, stelt het essay. Ze vertegenwoordigen de breadth-first zoektocht door een oneindige mogelijkheidsruimte, waarin quantumonderzoekers hopen een pad te vinden waarlangs ze zelfs maar een bescheiden afstand kunnen afleggen zonder weer op een doodlopende weg te stuiten.

Als we naar de werkelijkheid van de toekomst van quantum computing kijken, is die hooguit vaag, schrijft Black. Er zijn veelbelovende technologische ontwikkelingen — vooral, naar zijn oordeel, op het gebied van neutral-atom-apparaten — maar het is veel te vroeg om te zeggen of er langs een van de momenteel bekende takken een pad naar een uiteindelijke CRQC openligt, of dat er meer herstarts komen. Als er op een bepaald moment veel iteraties van dezelfde kandidaat-technologie steeds capabelere apparaten opleveren en zinvolle berekeningen uitvoeren die een eerlijk kind niet kan, schrijft hij, dan kan de discussie met ander bewijs worden heropend.

In theorie

Het essay schetst twee mogelijke verklaringen voor het herhaaldelijk falen van quantumonder om in vele decennia een CRQC te ontwikkelen. De eerste is dat het gewoon een moeilijk probleem is en dat voortgezette toepassing van wetenschap en techniek uiteindelijk zal zegevieren — zoals het vernuft van de mensheid dat deed bij de ontwikkeling van het internet, de smartphone, sociale media en Bitcoin, waarbij het de lezer wordt overgelaten te bepalen welke daarvan positieve ontwikkelingen zijn. De tweede is dat het ontwikkelen van een CRQC onmogelijk kan zijn, of voor altijd buiten het bereik van de mensheid zal blijven.

Black nodigt uit tot overweging van wat het zou betekenen als een CRQC zou bestaan: de machine zou binnen zijn superpositie een mogelijkheidsveld moeten vertegenwoordigen dat even groot is als de complexiteit van het op te lossen cryptografische probleem. Om de 128-bits beveiliging van het discrete logaritme op de elliptische kromme secp256k1 van Bitcoin te breken, zou de quantumsuperpositie alle mogelijke waarden van een 128-bit getal moeten vertegenwoordigen. In klassieke computing zou het weergeven van al die waarden meer computeropslag vergen — met vele ordes van grootte — dan de mensheid ooit heeft geproduceerd.

Het essay voert verder aan dat als er ook maar de geringste granulariteit in de quantumsuperpositie zit — dat wil zeggen, als de superpositie niet perfect continu is over alle mogelijke waarden — een quantumcomputer nooit cryptografisch relevant kan worden. Evenzo, als de energie die nodig is om een superpositie vast te houden schaalt met de complexiteit van het weergegeven veld, dan kan een quantumcomputer nooit cryptografisch relevant worden. Het hedendaagse begrip van kwantumfysica, merkt Black op, sluit geen van beide mogelijkheden uit.

Conclusie: Bitcoin kan niet rusten

Ondanks het voorgaande concludeert het essay dat de ontwikkeling van Bitcoin richting nieuwe cryptografische algoritmen moet doorgaan. Hoewel een quantumaanval op de cryptografie van Bitcoin geenszins imminent is, is het volstrekt mogelijk dat via andere middelen een andere zwakke plek wordt gevonden. Bepaalde elliptische krommen zijn zwak gebleken, en secp256k1 zou de volgende kunnen zijn.

De in het artikel genoemde maatstaf om de quantumkwestie opnieuw te bezien is daarom concrete vooruitgang in plaats van financiering of geïsoleerde aankondigingen: herhaalde iteraties van dezelfde kandidaat-technologie zouden steeds capabelere apparaten en zinvolle berekeningen moeten opleveren die een eerlijk kind niet kan uitvoeren. Tegelijkertijd blijft Bitcoin's werk aan alternatieve cryptografische algoritmen relevant, ongeacht of er ooit een CRQC wordt ontwikkeld.

Bitcoin heeft zo lang bestaan omdat aanvallen op het systeem het versterkt hebben, betoogt het essay, en dat zal ook gelden nu de quantum-FUD-aanval zich ontvouwt. De ontwikkeling van P2MR P2TRv2, van SHRINCS, SPHINCS, IBC, ML-DSA en meer post-quantum-handtekeningschema's zal uiteindelijk leiden tot verbeteringen in de weerbaarheid van Bitcoin tegen toekomstige aanvallen — zelfs als er nooit een echte CRQC wordt ontwikkeld.

Het stuk is opgenomen in de nieuwste printeditie van Bitcoin Magazine, The Quantum Issue, en wordt hier gedeeld als een vroege blik op de ideeën die in de volledige editie worden behandeld. Het bericht verscheen voor het eerst op Bitcoin Magazine en is geschreven door Brandon Black.