Første kvantesikrede blokkjedeteknologi testet i Moskva

Interessen for kryptovalutaer er for tiden høy, og banker, bedrifter og myndigheter kjemper for å forstå teknologien og hvordan de kan utnytte den. Som et resultat har kryptovalutamarkedet begynt å stige eksponentielt, og nådde forrige måned en forbløffende 90 milliarder dollar i markedsverdi. Uansett hva som skjer videre, ser det ut til at kryptovalutaer vil spille en stadig mer innflytelsesrik rolle i det globale finansielle systemet.

Men det er et problem i horisonten. Den store utfordringen med digitale kontanter er å sikre at alle bruker dem ærlig. Og det ser ut til å være en ganske god løsning i form av blokkjedeteknologi. Dette garanterer ærlighet ved å bruke kryptografiske teknikker som antas å være uknuselige, bortsett fra ved brute force-angrep.

Og der ligger problemet. Brute force-angrep er vanskelige for klassiske datamaskiner, men vil være enkle for neste generasjon kvantedatamaskiner. Den enorme tall-knusende kraften til disse enhetene betyr at så snart de er tilgjengelige, vil kryptovalutaer plutselig være mer sårbare for angrep.

Så en måte å sikre blokkjedeteknologi mot kvanteangrep vil være enormt nyttig.

Gå inn på Evgeny Kiktenko ved Russian Quantum Center i Moskva og noen få venner som har designet, bygget og testet et kvanteblokkjedesystem der sikkerheten er garantert av kvantemekanikk. De har bygget det ved å bruke et standard kvantekryptografisystem av den typen som allerede er kommersielt tilgjengelig.

Først litt bakgrunn. Blokkjeder registrerer en liste over transaksjoner på en måte som forhindrer uærlig bruk, for eksempel tukling eller dobbeltforbruk. De lar enhver datamaskin holde styr på denne listen ved å kompilere dem til en blokk, som deretter krypteres for å danne et tall som kalles en hash.

Krypteringsprosessen er viktig. Det er en algoritme som er enkel å beregne, men vanskelig å gjøre i revers (som faktorisering). Hash-verdien den produserer er en unik egenskap for blokken, og enhver tukling med postene vil være umiddelbart åpenbar fordi dette vil endre hashen.

Nye transaksjoner blir deretter samlet til en ny blokk og lagt til den eksisterende hashverdien. Dette krypteres så for å lage en ny hash for den nye blokken. Dette legges til neste liste over transaksjoner når de er kryptert, og så videre. Resultatet er en kjede av blokker som hver inneholder hash-verdiene til alle foregående blokker – derav begrepet blokkjede.

Alle datamaskinene som lagrer disse blokkene sammenligner jevnlig hash-verdiene sine for å sikre at de alle er enige. Enhver datamaskin som ikke er enig, forkaster postene som forårsaker problemet.

Denne tilnærmingen er god, men den er ikke perfekt. En måte å spille dette systemet på er at en uærlig bruker endrer listen over transaksjoner til deres fordel, men på en måte som lar hasjen være uendret. Dette kan gjøres med brute force, med andre ord ved å endre en post, kryptere resultatet og se om hash-verdien er den samme. Og hvis ikke, prøver igjen og igjen og igjen til den finner en hash som matcher.

Sikkerheten til blokkjeder er basert på troen på at vanlige datamaskiner bare kan utføre denne typen brute force-angrep over tidsskalaer som er helt upraktiske, for eksempel universets alder. Derimot er kvantedatamaskiner mye raskere og utgjør følgelig en mye større trussel.

Kiktenko og co har en løsning som forhindrer kvanteangrep av denne typen. Deres blokkjedeteknologi er subtilt annerledes. En transaksjon mellom to personer inneholder informasjon om avsender, mottaker, tidspunkt for opprettelse, beløp som skal overføres, og en liste over referansetransaksjoner som rettferdiggjør at avsender har nok midler til operasjonen.

Denne transaksjonen sendes deretter til alle datamaskinene i valutanettverket som lagrer den inntil en forhåndsavtalt tid – for eksempel 10 minutter – når transaksjonene samles til en blokk.

Det neste trinnet bruker en algoritme som lar alle parter være enige om at listen over transaksjoner er ærlig. Dette er basert på bevis fra 1980-tallet der alle først deler informasjonen sin med alle andre datamaskiner. Deretter kommuniserer de informasjonen de mottok fra de andre partene i nettverket slik at alle kan se hvem som sa hva. Partene deler så denne informasjonen i enda en runde og så videre til de blir enige om at alle datamaskiner har samme informasjon.

Beviset er at det alltid er mulig å oppnå konsensus i færre runder enn det er partier, forutsatt at minst to tredjedeler av partene er ærlige.

Men i et slikt system, hvordan kan Alice være sikker på at hun mottar informasjon fra Bob og omvendt? Uten denne sikkerheten er det lett for en ondsinnet bruker å spille systemet ved å utgi seg for å være mange forskjellige brukere.

Det er her kvantemekanikken kommer inn. Alice og Bob kan verifisere hverandres identiteter ved å bruke en teknikk som kalles kvantenøkkelfordeling. Dette sender informasjon ved hjelp av kvantepartikler som fotoner, som ikke kan kopieres av en avlytter uten å ødelegge dem. På denne måten kan Alice og Bob være sikre på hverandres identitet.

Så grunnfjellet til Kiktenko og cos system er et kvanteidentifikasjonssystem der hver part kan verifisere identiteten til enhver annen på en måte som er garantert av fysikkens lover. Denne kvantesignaturen er knyttet til alle transaksjoner, noe som gjør den umulig å tukle med.

Kiktenko og co sier de har bygget nettopp et slikt system ved å bruke et kommersielt tilgjengelig kvantekryptografisystem fra det sveitsiske selskapet ID Quantique. Vi har utviklet en blokkjedeprotokoll med informasjonsteoretisk sikker autentisering basert på et nettverk der hvert nodepar er koblet sammen med en kvantenøkkeldistribusjonslenke, sier de.

Og de har testet det i et nettverk av fire brukere, hvorav en forsøker å spille systemet ved å doble utgifter. Denne protokollen eliminerer [dobbeltforbrukstransaksjonen] etter den andre kommunikasjonsrunden og tillater dannelsen av en blokk som kun inneholder legitime transaksjoner, sier Kiktenko og co.

Det er et interessant proof-of-princip-eksperiment som viser hvordan kvanteteknikker kan brukes til å sikre blokkjedeteknologier.

Men det er ikke perfekt. Spesielt forutsettes det at færre enn en tredjedel av partene er uærlige. Hvis mer enn en tredjedel av brukerne godtar å spille systemet, blir det trivielt å gjøre det.

Det er også betydelige teknologiske hindringer for å få dette systemet til å fungere i større skala. Ikke minst av disse er etableringen av et kvanteinternett for å tillate slike transaksjoner å finne sted over lange avstander. Det er en utfordring som bør overvinnes gitt at den for tiden blir taklet av forskere over hele verden.

Trusselen fra kvantedatamaskiner er absolutt reell – og ikke bare for blokkjedeteknologi. All informasjon som for øyeblikket er lagret ved hjelp av konvensjonell kryptografi vil bli usikker så snart den første kraftige nok kvantedatamaskinen slås på.

Med det plutselige hastverket med å bruke kryptovalutaer, vil det helt klart være nyttig å fremtidssikre teknologien mot denne kvantetrusselen.

Ref: arxiv.org/abs/1705.09258 : Kvantesikret blokkjede

gjemme seg