В России запустили первый в мире квантовый блокчейн

Физики из Российского квантового центра впервые запустили квантовый блокчейн — инструмент для создания распределенной базы данных, в которой практически невозможно подделать записи. Классические схемы блокчейна используются для криптовалют (например, в них записываются передачи биткоинов между пользователями), а в будущем они могут найти применение для составления умных контрактов, хранения информации о правах интеллектуальной собственности и других данных. Задача квантового блокчейна — обезопасить классические схемы от появления квантового компьютера. Схема была протестирована на городских оптоволоконных сетях (препринт), кратко о результатах тестирования сообщает пресс-релиз РКЦ.

Блокчейн— это база данных, в которой блоки информации, организованные строго определенным образом, идут друг за другом. Эти блоки хранятся на компьютерах всех пользователей, обменивающихся данными в рамках блокчейна. Каждый новый блок хранит в себе информацию о предыдущих, поэтому что-то исправить или подделать в такой базе данных практически невозможно. 

В блокчейне может храниться база данных транзакций — описаний событий, когда один участник распределенной сети передает другому, например, некоторую сумму денег. Каждая транзакция содержит в себе цифровую подпись участника и данные о себе. Транзакции объединяются в последовательные блоки — в каждый из них записан хэш информации. Это результат действия на данные специальной функции, использующей каждый их бит и возвращающей достаточно длинное число. Например, можно возвести строку данных в куб и взять первые 256 бит результата. Как правило, для получения хэша используются достаточно сложные функции — если хотя бы один бит в данных транзакций поменяется, то сильно изменится и весь хэш. Более детальное описание блокчейна и его применений можно прочесть в нашей сказке в трех главах «Еж и Муравей».

Чтобы сформировать очередной блок в блокчейне необходимо решить довольно сложную вычислительную задачу. Это ограничивает скорость создания блоков. Кроме того, если злоумышленник сможет создать блок с поддельными транзакциями и попытается встроить его в блокчейн, то он просто не получит продолжения, так как транзакции в нем не будут подтверждены. Потом система отвергнет его. Ряд футурологов допускает, что блокчейн сильно разовьется в будущем — к 2025 году с ним могут оказаться связано до 10 процентов мирового внутреннего продукта.

Однако блокчейн, как и методы шифрования информации, оказался уязвим для квантовых компьютеров. В его основе лежит принцип асимметрического шифрования — зная число легко определить результат действия на него функции (для этого нужно подействовать на него этой функцией), но зная результат действия функции на число, определить само число порой сложно. Так, например, легко проверить что хэш блока соответствует его содержимому и очень сложно подобрать содержимое блока, которое соответствовало бы конкретному хэшу.

Квантовые алгоритмы способны обогнать обычные компьютеры при решении некоторых задач. Классический пример — алгоритм Шора, способный раскладывать числа на простые множители. С длиной числа у классических алгоритмов время перебора множителей растет экспоненциально, а у квантовых — как полином. Эта операция — ключ к расшифровке сообщений, зашифрованных с помощью популярного алгоритма RSA. 

Если одним из узлов сети блокчейна станет квантовый компьютер, то он сможет подделать электронные подписи пользователей (формируются с помощью RSA), проводящих транзакции, и подписи авторов блоков. Более того, с помощью другого квантового алгоритма — алгоритма Гровера — квантовый компьютер может гораздо быстрее создавать новые блоки. Если для классического компьютера задача создания блока требует времени пропорционального 2^k, то для квантового компьютера 2^k/2. Это может обеспечить квантовому узлу преимущество и в теории позволить генерировать больше половины всех новых блоков в сети. В теории это позволит злоумышленнику — владельцу узла записать новую ветвь блокчейна с желаемой информацией и сделать ее основной.

Один из путей защиты от квантового компьютера — введение постквантовой криптографии, методов шифрования, одинаково сложных к дешифровке и для квантового и для классического компьютера. Эти методы уже сейчас тестирует Google в одной из версий Chrome. Но эти методы требуют больших вычислительных мощностей и, к тому же, их сложность еще не доказана.

Авторы новой работы реализовали концепцию блокчейна, в основе которой лежит квантовое распределение ключа. Особенностью концепции является то, что транзакции подтверждаются в системе автоматически — нет нужды в цифровой подписи. Ее роль играет квантовый канал связи, на уровне законов квантовой механики запрещающий подслушивание ключа для шифрования и подделку сообщений. Благодаря этому все участники сети в точности знают кто является автором транзакции. Подробнее об особенностях квантового распределения ключа можно прочесть в нашем материале «Выдергиваете и сжигаете», вкратце же его «невзламываемость» основана на том, что любая попытка измерить состояние квантовой системы обязательно поменяет ее.

Кроме того, в новой концепции нет классической парадигмы блокчейна о том, что блоки может формировать любой участник сети. Вместо этого генерация блоков происходит децентрализовано. Предложенная схема способна поддерживать функционирование даже если треть узлов будет вести себя «нечестно». Минус квантового блокчейна в том, что все узлы сети должны быть попарно связаны между собой квантовыми каналами связи. В то же время, такая система масштабируема и останется безопасной даже в случае резкого развития квантовых технологий.

Алгоритм удалось реализовать в городских условиях на базе трехузловой гетерогенной квантовой сети, о которой мы недавно писали. Важно, что генерации блоков и ключей удалось добиться даже в условиях сильных потерь в обычной оптоволоконной линии. 

На сегодняшний день квантовые компьютеры еще находятся на ранней стадии развития. Максимальное количество кубитов в квантовом компьютере не превышает 17, а преимущество квантовых вычислителей над классическими компьютерами было показано только для очень специальных задач. Тем не менее несколько крупных корпораций и научных групп по всему миру работает над созданием более совершенных вычислительных устройств. Недавно квантовый бозонный сэмплер, разработанный китайскими, германскими и британскими физиками, смог обойти по производительности  ENIAC (первый универсальный классический компьютер) примерно в 220 раз.

Владимир Королёв