Hvis kvantedatamaskiner truer blokkjeder, kan kvanteblokkjeder være forsvaret

En blokkjede er en matematisk struktur som lagrer data sikkert over tid. Ideen har blitt berømt på baksiden av Bitcoin-boomen. Bitcoin er avhengig av blokkjeder for å sikkert lagre relaterte valutatransaksjoner.

Men den samme teknologien kan lagre alle typer data – forsendelsesdata, fremdriften til dataprogrammer, smarte kontrakter og så videre. Faktisk ser blokkjeder ut til å bli en av de muliggjørende teknologiene i det 21. århundre.

Og likevel har de en akilleshæl. Sikkerheten til en blokkjede er garantert av standard kryptografiske funksjoner. Disse er relativt sikre fordi å bryte dem krever enorme dataressurser, som ikke er generelt tilgjengelige.

Det ser ut til å endre seg med fremveksten av kraftige kvantedatamaskiner. Det vil være en barnelek for slike enheter å bryte denne typen kryptografisk beskyttelse. Men kvantedatamaskiner kan ikke bryte kvantekryptografiske koder, så ulike grupper har foreslått å legge til kvantekryptografi til blokkkjeder for å garantere deres sikkerhet.

Det finnes en bedre, mer grunnleggende løsning, sier Del Rajan og Matt Visser ved Victoria University of Wellington i New Zealand. Kvantekryptografi legger bare til et kvantelag til standard blokkjedeprotokoll. I stedet foreslår de å gjøre hele blokkjeden til et kvantefenomen.

Ideen deres er å lage en blokkjede ved hjelp av kvantepartikler som er viklet inn i tid. Det ville tillate en enkelt kvantepartikkel å kode historien til alle sine forgjengere på en måte som ikke kan hackes uten å ødelegge den. En slik protokoll er avhengig av fysikkens lover for å garantere sikkerhet. Men det fører også til noen uvanlige bivirkninger. Denne desentraliserte kvanteblokkjeden kan sees på som en kvantenettverksbasert tidsmaskin, sier Rajan og Visser.

Først litt bakgrunn. En blokkjede er ganske enkelt en hovedbok som registrerer informasjon av en bestemt type - for eksempel valutatransaksjoner. Transaksjonene legges kontinuerlig til en database kalt en blokk, men ved slutten av en gitt tidsperiode krypteres blokken ved hjelp av en matematisk enhet kalt en hashing-funksjon. Dette gir et unikt nummer som kan brukes til å representere dataene nøyaktig.

Dette unike nummeret inkluderes deretter i neste blokk med neste sett med transaksjoner. Etter en tid blir det hele kryptert ved hjelp av hashing-funksjonen for å produsere et nytt unikt nummer. Dette legges til neste blokk. Og så videre, å lage en kjede av blokker som alle er nestet inne i den nyeste – derav navnet blokkjede.

Alle som prøver å forfalske den historiske posten, må finne en måte å endre dataene på på en måte som ikke endrer utfallet av hashing-funksjonen. Og det er så beregningsmessig utfordrende at det anses som umulig med en klassisk datamaskin. Men det er mulig med den typen kvantedatamaskiner som snart vil være tilgjengelig.

Så Rajan og Visser har kommet opp med en annen tilnærming som er avhengig av en fullstendig kvanteversjon av en blokkjede. Fenomenet i hjertet av deres tilnærming kalles sammenfiltring. Når to kvantepartikler er sammenfiltret, deler de samme eksistens. Dette skjer når de samhandler på samme punkt i rom og tid. Etter det vil en måling på den ene umiddelbart påvirke den andre, uansett hvor langt fra hverandre de måtte være.

Det som garanterer sikkerhet er at sammenfiltring er usedvanlig skjør. En måling på en av et par sammenfiltrede partikler ødelegger umiddelbart koblingen. Så hvis en ondsinnet bruker prøver å forstyrre en av paret, er det umiddelbart åpenbart for den andre.

Akkurat som partikler kan bli viklet inn over rommet, kan de også bli viklet inn over tid. Så en partikkel som eksisterer i nåtiden kan vikles sammen med en som eksisterte i fortiden. Og en måling på den påvirker umiddelbart forgjengeren.

Det fører til noen subtile og kontraintuitive fenomener. For eksempel er det en spesiell kvantesans der det blir mulig å påvirke fortiden. Det er selvfølgelig strenge grenser for hva dette gjør mulig. Det er for eksempel ikke mulig å sette i gang en serie hendelser som vil drepe besteforeldrene dine, og dermed sikre at du aldri har eksistert. Den typen paradokser er ikke tillatt.

Men det blir vanskeligere å skille mellom årsak og virkning. En annen effekt er at det blir mulig å øke mengden informasjon som kan overføres over tid.

Det er denne typen tidsmessig sammenfiltring som Rajan og Visser utnytter for å produsere en kvanteblokkjede. Den grunnleggende ideen er å kode data på en kvantepartikkel. Dette blir den første kvanteblokken.

Når mer data er tilgjengelig, kombineres dette med dataene fra den første partikkelen i en kvanteoperasjon som vikler den sammen med en andre partikkel. Førstnevnte blir deretter forkastet, og registreringen av den første blokken med transaksjoner kombineres med den andre blokken. Dataene fra en tredje blokk kan legges til på samme måte, og skaper en kjede.

Denne kjeden er sikker fordi alle som forsøker å tukle med den ugyldiggjør den umiddelbart. Det er fordelen med kvantesammenfiltring.

Denne kvanteblokkjeden har en annen fordel: de tidligere blokkene er fullstendig manipulasjonssikre. Angriperen kan ikke engang forsøke å få tilgang til de tidligere fotonene siden de ikke lenger eksisterer, sier Rajan og Visser. Sammenfiltring i tid gir en langt større sikkerhetsgevinst enn en sammenfiltring i rommet.

Dessuten eksisterer det meste av teknologien for å få dette til å fungere allerede, i det minste i proof-of-princip-form. Alle delsystemene til denne designen har allerede vist seg å være eksperimentelt realisert, sier Rajan og Visser.

Det er interessant arbeid som sannsynligvis vil bli mer relevant når kraftige kvantedatamaskiner begynner å dukke opp. IBM har allerede en 50-qubit kvantedatamaskin, og kraftigere maskiner er i pipelinen. Det er bare et spørsmål om tid før de blir i stand til å undergrave tilliten til blokkjeder.

Men en nøkkeldel av infrastrukturen som er nødvendig for å få denne typen kvanteblokkjede til å fungere er ennå ikke tilgjengelig: et kvantenett. Dette er et nettverk som kan overføre kvanteinformasjon via kvanterutere uten å ødelegge kvanteegenskapene. Denne typen system er for tiden under utforming og forventes å bli rullet ut i Europa, USA og Kina i løpet av de kommende månedene eller årene.

Faktisk er jobben med å bygge et slikt system i hovedsak en ingeniøroppgave snarere enn en grunnleggende fysikk. Så det er bare et spørsmål om tid før en kvanteblokkjede blir mulig. Om det blir denne protokollen som fremstår som den beste er selvsagt et annet spørsmål.

Kanskje Rajan og Visser kunne bruke kvantetidsmaskinen sin til god bruk ved å finne ut hvilken teknologi som til slutt triumferer i fremtiden!

Ref: arxiv.org/abs/1804.05979 : Quantum Blockchain bruker Entanglement In Time

gjemme seg