Quantum computing và Blockchain: Tác động đến Mật mã học

Nét đặc biệt chính của blockchain và các ứng dụng của nó là các sổ cái phân tán được bảo mật bằng mật mã hầu như “không thể phá vỡ” được trong các trường hợp thông thường, với tình trạng công nghệ tính toán hiện tại. Tuy nhiên, tính hợp lệ của nó phụ thuộc rất nhiều vào giả định “trạng thái công nghệ”. Nếu một sự thay đổi mô hình trong điện toán xảy ra, các hệ thống dựa trên blockchain hiện tại có thể trở nên dễ bị tổn thương trước các mối đe dọa không được tính đến trong thiết kế của chúng. Nhưng mức độ khẩn cấp của mối đe dọa này ra sao khi điều này có thể xảy ra bất cứ lúc nào?

Những bước tiến mà các nhà vật lý đã thực hiện trong ba thập kỷ qua để xây dựng quantum computer (máy tính lượng tử) có hiệu lực, có thể sớm đóng góp cho sự thay đổi như vậy. Theo một dấu mốc được gọi là “quantum tối cao”, trong đó một quantum computer (máy tính lượng tử) vượt trội hơn một máy tính truyền thống trong một nhiệm vụ cụ thể, có thể đạt được nhiệm vụ rất sớm, câu hỏi “liệu các thiết bị dựa trên lượng tử tiềm năng có khả năng “giết” chết blockchain hay không” được mọi người chú ý đông đảo.

Nhập môn cho quantum computer

Quantum computer là bất kỳ thiết bị nào sử dụng các nguyên tắc của cơ học lượng tử để thực hiện các phép tính. Để lưu trữ và thực hiện thao tác thông tin, các máy tính thông thường sử dụng các đơn vị nhị phân gọi là bit, có thể đại diện cho một trong hai trạng thái có thể xảy ra: 0 hoặc 1. Quantum computer dựa vào bit lượng tử (hoặc qubit), có thể là 0 và 1 cùng một lúc . Hiện tượng này, được gọi là sự chồng chất, cho phép các thiết bị như vậy thực hiện một số tác vụ nhanh hơn nhiều so với các đối tác dựa trên bit của chúng.

Một thuật ngữ nền tảng khác trong lý thuyết lượng tử là “vướng lượng tử”. Khi hai phần tử bị vướng, chúng tồn tại ở cùng một trạng thái lượng tử, nếu một phần tử thay đổi đồng đẳng của nó thay đổi tương ứng, bất kể hai phần tử cách nhau bao xa trong không gian vật lý. Ghép cặp qubit theo cách này dẫn đến sự tăng trưởng theo cấp số nhân trong sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử.

Trạng thái chồng chất, thứ mà rất cần thiết để thực hiện các tính toán, là rất khó để đạt được và rất khó để duy trì. Các nhà vật lý sử dụng chùm tia laser và tia vi ba để đặt các qubit ở trạng thái làm việc và sau đó sử dụng một loạt các kỹ thuật để bảo vệ nó khỏi sự dao động nhiệt độ, tiếng ồn và sóng điện từ nhỏ nhất. Các quantum computer hiện tại rất dễ bị lỗi do tính mong manh của điều kiện làm việc, nó sẽ tiêu tan trong một quy trình gọi là mất kết hợp trước khi hầu hết các hoạt động có thể được thực thi.

Sức mạnh tính toán lượng tử được xác định bởi có bao nhiêu qubit mà máy có thể tận dụng đồng thời. Bắt đầu với hai qubit khiêm tốn đạt được trong các thí nghiệm đầu tiên vào cuối những năm 1990, quantum computer mạnh nhất hiện nay, được điều hành bởi Google, có thể sử dụng tới 72 qubit.

Quantum computer và blockchain

Thừa nhận tất cả các hạn chế thông thường, ý tưởng về tính bất biến và tính bảo mật vô địch của blockchain được chấp nhận rộng rãi: Nó làm cơ sở cho niềm tin của cộng đồng vào tài sản kỹ thuật số và thúc đẩy sự chấp nhận hàng loạt. Tuy nhiên, sự ra đời của quantum computing (điện toán lượng tử) có khả năng gây nguy hiểm cho tính toàn vẹn của mật mã khóa công khai, vốn là xương sống của bảo mật blockchain.

Mặc dù phạm vi cho các ứng dụng tiềm năng của quantum computer là rất lớn, nhưng thứ phù hợp nhất trong bối cảnh công nghệ blockchain và mật mã nói chung là khả năng chạy các thuật toán cụ thể nhanh hơn nhiều so với bất kỳ siêu máy tính hiện có nào. Một trong những trường hợp được thảo luận và được cho là sử dụng rộng rãi nhất là chạy thuật toán của Shor, nổi tiếng để phân tách nhân tố, có khả năng khiến nhiều kỹ thuật mã hóa cùng thời trở nên lỗi thời.

Như một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm lượng tử Nga đã quan sát trong một bài báo cho tạp chí Nature, một rủi ro tiềm ẩn bắt nguồn từ thực tế là, bảo mật blockchain phụ thuộc rất nhiều vào các hàm toán học một chiều – những thứ dễ vận hành, nhưng khó khăn hơn nhiều để tính ngược lại. Các chức năng như vậy được sử dụng để tạo cả chữ ký số và xác thực các giao dịch trên sổ cái.

Một tên tội phạm được trang bị một thiết bị lượng tử chức năng sẽ có thể thực hiện các phép tính ngược nhanh hơn rất nhiều, điều này cho phép chúng giả mạo chữ ký, mạo danh người dùng khác và có quyền truy cập vào tài sản kỹ thuật số của họ. Trong bối cảnh khai thác, một nhân tố độc hại như vậy có thể kiểm soát quá trình cập nhật sổ cái, thao túng lịch sử giao dịch và chi tiêu gấp đôi.

Các nhà nghiên cứu Nga đề nghị các kiến trúc sư của các hệ thống mã hóa nên bắt đầu thực hiện các biện pháp phòng ngừa trước mối đe dọa này ngay lập tức. Một giải pháp có thể là thay thế chữ ký kỹ thuật số thông thường bằng mật mã kháng lượng tử – loại thuật toán bảo mật được thiết kế đặc biệt để chống lại một cuộc tấn công từ một quantum computer đủ mạnh. Một biện pháp khắc phục khác, các nhà vật lý Nga đề xuất, sẽ chỉ khả dụng với sự ra đời của một mạng internet lượng tử, tức là vẫn còn vài thập kỷ nữa. Kiến trúc truyền thông không dây tiềm năng này, dựa trên kết nối giữa các phân tử lượng tử vướng víu từ xa, sẽ mở khóa vô số mô hình và thiết kế blockchain mới.

Điều này có phần phù hợp với ý tưởng gây sững sờ mà Del Rajan và Matt Visser từ Đại học Victoria ở New Zealand đã thể hiện trong một bài báo nghiên cứu gần đây. Họ đề xuất từ bỏ việc sử dụng mật mã lượng tử và nhảy thẳng tới việc biến blockchain thành một hệ thống dựa trên lượng tử. Mô hình của họ mô tả một blockchain dựa trên các qubit vướng không chỉ trong không gian, mà còn về thời gian. Ý định thay đổi bản ghi của các giao dịch trở về trước, được mã hóa bởi lịch sử của một trạng thái phân tử duy nhất theo thời gian, sẽ là không thể nếu không phá hủy phân tử hoàn toàn. Tuy nhiên, việc hiện thực hóa mô hình này sẽ là không thể cho đến khi một mạng internet lượng tử hoạt động.

Những chuyên gia đưa ra ý kiến

Trong khi các giải pháp tương lai mà các học giả đề xuất có thể cách xa hàng thập kỷ, rất nhiều nghiên cứu và phát triển thực tế về quantum computing và mật mã lượng tử đang diễn ra ngay bây giờ. Các chuyên gia làm việc với các ứng dụng quantum computing có quan điểm khác nhau về mức độ đe dọa khẩn cấp của lượng tử. Yaniv Altshuler, một nhà nghiên cứu và CEO của MIT và đồng sáng lập của nền tảng phân tích dự đoán Endor Protocol, cho biết:

“Quantum computer đang trở nên vô cùng mạnh mẽ và chúng đang tiến bộ nhanh hơn hầu hết với những gì mọi người mong đợi. Tuy nhiên, khả năng của chúng sẽ không phá vỡ blockchain. Mỗi năm, khi phần cứng mới được phát hành, nó gợi lại những lo lắng về tính toàn vẹn của blockchain, nhưng không có bằng chứng nào cho thấy quantum computing có thể làm tổn hại đến blockchain”.

Stewart Allen, giám đốc điều hành của công ty quantum computing IonQ tin rằng, vào thời điểm một quantum computer phát triển và trở nên đủ mạnh để làm mất tính toàn vẹn của các blockchain ngày nay, các hệ thống bảo mật cũng đã chuyển sang các thuật toán có khả năng ngăn chặn chúng:

“Không có mối đe dọa thực sự nào về việc quantum computer phá vỡ mật mã blockchain trong thời gian ngắn. Nếu và khi điều này xảy ra, mật mã học sẽ chuyển sang các thuật toán quantum-proof. Chúng ta còn cách xa ít nhất một thập kỷ mới đến lúc các quantum computer có thể phá vỡ mật mã blockchain”.

Những người khác, tuy nhiên, không hoàn toàn chia sẻ chung quan điểm lạc quan này.

Giám đốc điều hành của ILCoin, Norbert Goffa, bày tỏ mối quan tâm của ông về sự xuất hiện tiềm năng của các nhóm khai thác quantum-power:

“Nếu ai đó có một nhóm khai thác dựa trên lượng tử, thì họ sẽ dễ dàng thống trị người khác. Ngày nay chúng ta không có bất kỳ máy khai thác dựa trên lượng tử nào. Mặt khác, rất nhiều công ty đang tiến hành các công nghệ điện toán dựa trên lượng tử. Chúng tôi tin rằng trong năm năm tới nó có thể là sự thật. Cũng có thể chưa đến, ai biết chứ?”

Rakesh Ramachandran, CEO và đồng sáng lập của QBRICS Inc, nhấn mạnh rằng quantum computing đã sẵn sàng để có sức ảnh hưởng trong hầu hết mọi lĩnh vực sử dụng mật mã. Trong trường hợp của công nghệ blockchain, ông nói, chúng ta có thể mong đợi một sự thay đổi mang tính hệ thống:

“Quantum computer sẽ định nghĩa lại mật mã không chỉ của blockchain mà bất cứ nơi nào có ứng dụng về mật mã bao gồm cả những thứ đơn giản như một trang web ngân hàng trực tuyến. Có một nghiên cứu và công trình đáng kể đang được thực hiện để giảm thiểu các tác động và để chuyển sang mật mã kháng lượng tử hoặc mật mã sau lượng tử”.

“Tuy nhiên, thách thức của blockchain không chỉ là mối đe dọa mà quantum computing thể hiện, mà còn là dịp để thể hiện blockchain sẽ chuyển sang phiên bản mới của mật mã như thế nào”.

Tất cả các chuyên gia đều cung cấp các ước tính giống nhau đáng ngạc nhiên về thời gian mà chúng ta còn lại, trước khi quantum computer có thể gây ra mối đe dọa đối với tính toàn vẹn của blockchain, giao động trong phạm vi từ năm đến 10 năm. Họ cũng khá nhất quán trong các cách thức để đối phó với các cuộc tấn công dựa trên lượng tử tiềm năng: Hầu hết mọi người đều đồng ý rằng việc chuyển dần sang mật mã kháng lượng tử sẽ là cần thiết, cũng như xây dựng cơ sở hạ tầng để hỗ trợ nó. Blockchain sẽ phải phát triển, nhưng không chắc là công nghệ quantum computing sẽ đe dọa cơ bản sự tồn tại của chúng.

• Xetra, một địa điểm giao dịch do Deutsche Börse điều hành vừa niêm yết công ty blockchain đầu tiên của mình
• Quỹ bảo vệ tiền điện tử của Kik được giao cho Hiệp hội Blockchain điều hành

Thủy Tiên

Tạp chí Bitcoin | Cointelegraph