สัปดาห์นี้ Google เผยแพร่งานวิจัยที่อธิบายว่าในทางทฤษฎี คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถอนุมานกุญแจส่วนตัวของ Bitcoin ได้ภายใน 9 นาที ส่งผลให้เกิดลูกโซ่ไปยัง Ethereum โทเค็นอื่น ๆ ธนาคารเอกชน และอาจรวมถึงทุกสิ่งในโลกนี้ด้วย
คอมพิวเตอร์ควอนตัมมักถูกเข้าใจผิดได้ง่ายว่าเป็นเวอร์ชันที่เร็วกว่า ของคอมพิวเตอร์ธรรมดา แต่จริง ๆ แล้วมันไม่ใช่ชิปที่ทรงพลังขึ้นหรือเป็นคลัสเตอร์เซิร์ฟเวอร์ที่ใหญ่ขึ้น มันคือเครื่องประเภทที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง แตกต่างตั้งแต่ระดับอะตอม
คอมพิวเตอร์ควอนตัมเริ่มต้นด้วยวงโลหะขนาดเล็กมาก เย็นมาก ซึ่งที่นั่น อนุภาคเริ่มแสดงพฤติกรรมในแบบที่พวกมันไม่แสดงบนโลกในสภาวะปกติ—แบบที่เปลี่ยนสิ่งที่เรายังคงมองว่าเป็นกฎฟิสิกส์พื้นฐาน
เมื่อเข้าใจเรื่องนี้แล้ว ในแง่ของฟิสิกส์ นั่นก็คือเส้นแบ่งระหว่างการอ่านอย่างเดียวเกี่ยวกับภัยคุกคามเชิงควอนตัม กับการที่คุณเข้าใจมันจริง ๆ
คอมพิวเตอร์และคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานจริง ๆ อย่างไร
คอมพิวเตอร์ทั่วไปเก็บข้อมูลด้วยบิต—โดยที่บิตแต่ละบิตเป็น 0 หรือ 1 เท่านั้น บิตก็คือสวิตช์ที่เล็กมาก ในเชิงกายภาพ มันคือทรานซิสเตอร์บน “ชิป” — ประตูขนาดเล็กที่ปล่อยให้กระแสไฟไหลผ่าน (1) หรือไม่ปล่อยให้ไหลผ่าน (0)
รูปภาพทุกภาพ ธุรกรรม Bitcoin ทุกครั้ง ทุกคำที่คุณเคยพิมพ์ ล้วนถูกเก็บไว้ในรูปแบบของสวิตช์ที่เปิดหรือปิดแบบนั้น ไม่มีอะไรลึกลับเกี่ยวกับบิต เพราะมันเป็นวัตถุทางกายภาพที่อยู่ในสถานะที่ชัดเจนสถานะใดสถานะหนึ่ง
การคำนวณทั้งหมดก็แค่จัดเรียงเลข 0 และ 1 พวกนั้นอย่างรวดเร็ว ชิปสมัยใหม่อาจทำการคำนวณแบบนั้นได้หลายพันล้านครั้งต่อวินาที แต่ก็ยังคงทำทีละอย่าง ตามลำดับ
คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้สิ่งที่เรียกว่าคิวบิต แทนบิต คิวบิตหนึ่งตัวสามารถเป็น 0, 1 หรือ — และนี่แหละส่วนที่ประหลาด—มันสามารถเป็นทั้งสองอย่างพร้อมกันในเวลาเดียวกัน!
สิ่งนี้เกิดขึ้นได้เพราะคิวบิตเป็นวัตถุทางกายภาพที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง ในรูปแบบที่พบมากที่สุด และเป็นแบบที่ Google ใช้ คือวงโลหะตัวนำยิ่งยวดขนาดเล็กมาก ๆ ที่ถูกทำให้เย็นลงเหลือราว 0,015 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเย็นกว่าสิ่งใดก็ตามที่มีอยู่ในธรรมชาติ แม้จะยังคงอยู่บนโลกก็ตาม
ที่อุณหภูมินั้น กระแสไฟไหลผ่านวงโดยไม่พบความต้านทาน และเชื่อกันว่ากระแสไฟอยู่ในสถานะเชิงควอนตัม
ในวงตัวนำยิ่งยวดนั้น กระแสไฟอาจไหลตามเข็มนาฬิกา (เรียกว่า 0) หรือไหลทวนเข็มนาฬิกา (เรียกว่า 1) แต่ในระดับควอนตัม กระแสไฟไม่ได้จำเป็นต้องเลือกทิศทาง และมันสามารถไหลได้ทั้งสองทิศทางพร้อมกันจริง ๆ
อย่าไปเข้าใจผิดว่าเป็นการสลับไปมาระหว่างสองสถานะอย่างรวดเร็ว กระแสไฟนั้นสามารถวัดได้ ตรวจสอบได้ด้วยการทดลอง และยืนยันจากการสังเกตได้ว่าอยู่ในสถานะทั้งสองพร้อมกัน
ฟิสิกส์ที่ทำให้มึนงง
มาถึงตรงนี้ โอเคไหม? ดี เพราะส่วนถัดไปนี่แหละที่น่าพิศวงอย่างแท้จริง—ฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังวิธีที่มันทำงานนั้น ไม่ได้เข้าใจได้ทันที และก็ไม่ได้ถูกออกแบบมาให้เข้าใจได้แบบสัญชาตญาณ
ทุกสิ่งที่มนุษย์โต้ตอบในชีวิตประจำวันล้วนเป็นไปตามฟิสิกส์แบบคลาสสิก ซึ่งตั้งสมมติฐานว่าวัตถุอยู่ที่ใดที่หนึ่งในช่วงเวลาใดช่วงเวลาหนึ่ง แต่ในระดับจิ๋วมาก อนุภาคกลับไม่ประพฤติตัวแบบนั้น
อิเล็กตรอนจะไม่มีตำแหน่งที่แน่นอน จนกว่าคุณจะมองมัน โฟตอนจะไม่มีโพลาไรซ์ที่แน่นอน จนกว่าคุณจะวัดมัน กระแสไฟในวงตัวนำยิ่งยวดจะไม่ไหลไปตามทิศทางที่แน่นอน จนกว่าคุณจะบังคับให้มันเลือก
เหตุผลที่เราไม่ได้สัมผัสสิ่งนี้ในชีวิตประจำวันคือปรากฏการณ์การสูญเสียการเชื่อมโยงกันของควอนตัม (decoherence) เมื่อระบบควอนตัมไปมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อม—โมเลกุลของอากาศ ความร้อน การสั่น และแสง—สถานะซ้อนทับจะยุบตัวเกือบจะทันที
ลูกฟุตบอลไม่สามารถอยู่ได้ทั้งสองที่พร้อมกัน เพราะมันกำลังโต้ตอบกับโมเลกุลของอากาศหลายร้อยล้านล้านตัว ฝุ่น เสียง ความร้อน แรงโน้มถ่วง ฯลฯ ทุก ๆ นาโนวินาที แต่ถ้าคุณทำให้เป็นอิสระกับกระแสไฟที่เล็กมากในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ และกั้นมันจากความถูกรบกวนที่อาจเกิดขึ้นทั้งหมด พฤติกรรมเชิงควอนตัมก็จะคงอยู่ได้นานพอสำหรับการคำนวณ
นี่คือเหตุผลว่าทำไมการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงยากมาก นักวิทยาศาสตร์กำลังออกแบบสภาพแวดล้อมทางกายภาพที่ซึ่งกฎต่าง ๆ ที่ปกติจะขัดขวางปรากฏการณ์นี้ ถูกกักไว้ให้ได้นานพอสำหรับให้การคำนวณเสร็จสิ้น
เครื่องของ Google ทำงานในตู้เย็นแบบเจือจางที่มีขนาดใหญ่พอ ๆ กับห้องทำงานขนาดใหญ่ เย็นกว่าสิ่งใดก็ตามที่มีอยู่ในธรรมชาติ และถูกห่อหุ้มด้วยชั้นการป้องกันหลายชั้นจากสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า การสั่น และรังสีความร้อน
และคิวบิตก็ยังเปราะบางอย่างยิ่ง แม้จะเป็นเช่นนั้นก็ตาม มันสูญเสียสถานะควอนตัมอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น “การแก้ไขข้อผิดพลาด” จึงกลายเป็นหัวข้อที่ครองทุกการสนทหาเกี่ยวกับการปรับขนาด
ดังนั้น คอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงไม่ใช่เวอร์ชันที่เร็วกว่า ของคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก มันใช้กฎฟิสิกส์อีกชุดหนึ่ง ซึ่งใช้ได้เฉพาะในระดับที่เล็กมาก อุณหภูมิที่ต่ำมาก และภายในช่วงเวลาที่สั้นมากเท่านั้น
ทีนี้ลองคูณสิ่งนั้นขึ้นไป
บิตปกติสองบิตสามารถอยู่ในหนึ่งในสี่สถานะ (00, 01, 10, 11) แต่จะมีแค่หนึ่งสถานะในเวลาเดียวกัน (เพราะกระแสไฟไหลได้เพียงทิศทางเดียว) ในทางกลับกัน คิวบิตสองตัวสามารถแทนได้ทั้งสี่สถานะพร้อมกัน เพราะกระแสไฟกำลังไหลไปทุกทิศทางพร้อมกัน
คิวบิตสามตัวแทนได้แปดสถานะ คิวบิตสิบตัวแทนได้ 1.024 คิวบิตห้าสิบตัวแทนได้มากกว่าหนึ่งล้านล้านล้าน จำนวนเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่ากับทุกคิวบิตที่เพิ่มเข้ามา ดังนั้นการขยายขนาดจึงเป็นการเติบโตแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลอย่างแท้จริง
ทิปถัดไปคือสิ่งที่เรียกว่าความร่วงโรยหรือรอยพันกันของควอนตัม (qubit entanglement) เมื่อคิวบิตสองตัวถูกพัวพัน การวัดคิวบิตตัวหนึ่งจะทำให้ผู้สังเกตการณ์ได้รับข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับคิวบิตอีกตัวทันที ไม่ว่าพวกมันจะอยู่ห่างกันไกลแค่ไหนก็ตาม สิ่งนี้ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถประสานการทำงานกับทั้งชุดสถานะพร้อมกันในลักษณะที่การคำนวณแบบขนานทั่วไปของคอมพิวเตอร์ทำไม่ได้
และคอมพิวเตอร์ควอนตัมเหล่านี้ถูกตั้งค่าให้คำตอบที่ผิดลบล้างกันเอง (เหมือนคลื่นที่ซ้อนทับกันแล้วทำให้ลดลง) ขณะที่คำตอบที่ถูกจะถูกขยายให้เด่นขึ้น (เหมือนคลื่นที่ซ้อนทับกันจนสูงขึ้น) เมื่อสิ้นสุดการคำนวณ คำตอบที่ถูกจะมีโอกาสถูกวัดพบสูงที่สุด
ดังนั้น นี่ไม่ใช่การคำนวณแบบ brute-force นั่นคือ นี่คือวิธีการคำนวณที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง—วิธีที่ทำให้ธรรมชาติสำรวจพื้นที่ของความเป็นไปได้ที่เติบโตแบบทวีคูณ แล้วจึง “ยุบ” ลงมาสู่คำตอบที่ถูกด้วยฟิสิกส์ ไม่ใช่ด้วยตรรกะ
ภัยคุกคามมหาศาลต่อการเข้ารหัส
ฟิสิกส์ที่น่าทึ่งนี้เองคือเหตุผลที่มันน่ากลัวสำหรับการเข้ารหัส
คณิตศาสตร์ที่ปกป้อง Bitcoin อาศัยสมมติฐานว่าการตรวจสอบทุกคีย์จะใช้เวลามากกว่ายุคของจักรวาล
แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้ตรวจสอบทุกคีย์ มันจะสำรวจทั้งหมดพร้อมกันและใช้การแทรกสอดเพื่อทำให้คำตอบที่ถูกปรากฏขึ้น
นี่คือจุดที่เชื่อมโยงกับ Bitcoin ในมุมหนึ่ง จากคีย์ส่วนตัวไปยังคีย์สาธารณะ ใช้เวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาที ในทางกลับกัน จากคีย์สาธารณะย้อนกลับไปยังคีย์ส่วนตัว คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะใช้เวลาหนึ่งล้านปี หรืออาจนานกว่านั้นอีก มากกว่าช่วงอายุของจักรวาล ความไม่สมมาตรนั้นเองที่เป็นหลักฐานว่ามีคนกำลังถือจำนวนเหรียญของพวกเขาอยู่
คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่รันอัลกอริทึมชื่อ Shor สามารถย้อนกลับผ่าน “ด่าน” นั้นได้ งานวิจัยของ Google ในสัปดาห์นี้แสดงให้เห็นว่ามันทำได้โดยใช้ทรัพยากรน้อยกว่าที่ทุกคนเคยประเมินไว้มาก และภายในกรอบเวลาที่แข่งขันโดยตรงกับเวลาในการยืนยันบล็อกของ Bitcoin
นี่คือเหตุผลว่าทำไมภัยคุกคามจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำลายการเข้ารหัสของบล็อกเชนถึงทำให้ผู้คนกังวลอย่างแท้จริง
ขั้นตอนทีละนาทีของการโจมตีแบบนั้นคืออะไร งานวิจัยของ Google ได้เปลี่ยนแปลงเรื่องใดอย่างเฉพาะเจาะจง และความหมายต่อ Bitcoin จำนวน 6,9 ล้านเหรียญที่ถูกเปิดเผยแล้ว จะเป็นหัวข้อของส่วนถัดไปในซีรีส์บทความนี้
