Första Quantum-Secured Blockchain-teknologin testad i Moskva

Intresset för kryptovalutor är för närvarande på högvarv med banker, företag och regeringar som tävlar för att förstå tekniken och hur de kan utnyttja den. Som ett resultat har kryptovalutamarknaden börjat stiga exponentiellt och nådde förra månaden ett häpnadsväckande 90 miljarder dollar i börsvärde. Vad som än händer härnäst ser kryptovalutor ut att spela en allt mer inflytelserik roll i det globala finansiella systemet.

Men det finns ett problem vid horisonten. Den stora utmaningen med digitala kontanter är att se till att alla använder dem ärligt. Och det verkar finnas en ganska bra lösning i form av blockchain-teknik. Detta garanterar ärlighet med hjälp av kryptografiska tekniker som allmänt anses vara okrossbara, förutom genom brute force-attacker.

Och däri ligger problemet. Brute force attacker är svåra för klassiska datorer men kommer att vara lätta för nästa generation kvantdatorer. Den enorma kraften hos dessa enheter innebär att så snart de är tillgängliga kommer kryptovalutor plötsligt att bli mer sårbara för attacker.

Så ett sätt att säkra blockchain-teknik mot kvantattacker skulle vara oerhört användbart.

Gå in i Evgeny Kiktenko på Russian Quantum Center i Moskva och några kompisar som har designat, byggt och testat ett kvantblockkedjesystem där säkerheten garanteras av kvantmekaniken. De har byggt det med ett standardkvantkryptografisystem av det slag som redan är kommersiellt tillgängligt.

Först lite bakgrund. Blockkedjor registrerar en lista över transaktioner på ett sätt som förhindrar oärlig användning, såsom manipulering eller dubbla utgifter. De tillåter vilken dator som helst att hålla reda på den här listan genom att sammanställa dem i ett block, som sedan krypteras för att bilda ett nummer som kallas en hash.

Krypteringsprocessen är viktig. Det är en algoritm som är lätt att beräkna men svår att göra omvänt (som faktorisering). Det hashvärde som det producerar är en unik egenskap hos blocket, och varje manipulering av posterna skulle vara omedelbart uppenbart eftersom detta skulle ändra hashen.

Nya transaktioner samlas sedan ihop till ett nytt block och läggs till det befintliga hashvärdet. Detta krypteras sedan för att skapa en ny hash för det nya blocket. Detta läggs till i nästa lista med transaktioner när de är krypterade och så vidare. Resultatet är en kedja av block som vart och ett innehåller hash-värdena för alla föregående block - därav termen blockchain.

Alla datorer som lagrar dessa block jämför regelbundet sina hashvärden för att säkerställa att de alla är överens. Alla datorer som inte håller med, kasserar de poster som orsakar problemet.

Detta tillvägagångssätt är bra men det är inte perfekt. Ett sätt att spela detta system är att en oärlig användare ändrar listan över transaktioner till sin fördel, men på ett sätt som lämnar hashen oförändrad. Detta kan göras med brute force, med andra ord genom att ändra en post, kryptera resultatet och se om hashvärdet är detsamma. Och om inte, försök igen och igen och igen tills den hittar en hash som matchar.

Säkerheten för blockkedjor är baserad på tron ​​att vanliga datorer endast kan utföra den här typen av brute force attack över tidsskalor som är helt opraktiska, som universums ålder. Däremot är kvantdatorer mycket snabbare och utgör följaktligen ett mycket större hot.

Kiktenko och co har en lösning som förhindrar kvantattacker av det här slaget. Deras blockchain-teknik är subtilt annorlunda. En transaktion mellan två individer innehåller informationen om avsändaren, mottagaren, tidpunkten för skapandet, beloppet som ska överföras och en lista över referenstransaktioner som motiverar att avsändaren har tillräckligt med pengar för operationen.

Denna transaktion skickas sedan till alla datorer i valutanätverket som lagrar den tills någon i förväg överenskommen tid – t.ex. 10 minuter – då transaktionerna samlas ihop till ett block.

Nästa steg använder en algoritm som låter alla parter komma överens om att listan över transaktioner är ärlig. Detta är baserat på bevis från 1980-talet där alla först delar sin information med alla andra datorer. Därefter kommunicerar de informationen de fått från de andra parterna i nätverket så att alla kan se vem som sa vad. Parterna delar sedan denna information i ytterligare en omgång och så vidare tills de är överens om att alla datorer har samma information.

Beviset är att det alltid går att nå konsensus i färre omgångar än det finns partier, förutsatt att minst två tredjedelar av partierna är ärliga.

Men i ett sådant system, hur kan Alice vara säker på att hon får information från Bob och vice versa? Utan denna säkerhet är det lätt för en illvillig användare att spela systemet genom att låtsas vara många olika användare.

Det är här kvantmekaniken kommer in. Alice och Bob kan verifiera varandras identiteter med en teknik som kallas kvantnyckeldistribution. Detta skickar information med hjälp av kvantpartiklar som fotoner, som inte kan kopieras av en avlyssnare utan att förstöra dem. På så sätt kan Alice och Bob vara säkra på varandras identitet.

Så grunden för Kiktenko och co:s system är ett kvantidentifieringssystem där varje part kan verifiera identiteten för någon annan på ett sätt som garanteras av fysikens lagar. Denna kvantsignatur är kopplad till varje transaktion vilket gör den omöjlig att manipulera.

Kiktenko och co säger att de har byggt just ett sådant system med ett kommersiellt tillgängligt kvantkryptografisystem från det schweiziska företaget ID Quantique. Vi har utvecklat ett blockchain-protokoll med informationsteoretiskt säker autentisering baserat på ett nätverk där varje par av noder är sammankopplade med en kvantnyckeldistributionslänk, säger de.

Och de har testat det i ett nätverk av fyra användare, varav en försöker spela systemet med dubbla utgifter. Detta protokoll eliminerar [dubbelutgiftstransaktionen] efter den andra kommunikationsomgången och tillåter bildandet av ett block som endast innehåller legitima transaktioner, säger Kiktenko och co.

Det är ett intressant proof-of-princip-experiment som visar hur kvanttekniker kan användas för att säkra blockchain-teknologier.

Men det är inte perfekt. Särskilt utgår den från att mindre än en tredjedel av parterna är oärliga. Om mer än en tredjedel av användarna går med på att spela systemet blir det trivialt att göra det.

Det finns också betydande tekniska hinder för att få detta system att fungera i större skala. Inte minst av dessa är skapandet av ett kvantinternet för att tillåta den här typen av transaktioner att ske över långa avstånd. Det är en utmaning som bör övervinnas med tanke på att den för närvarande hanteras av forskare över hela världen.

Hotet från kvantdatorer är verkligen verkligt – och inte bara för blockchain-teknik. All information som för närvarande lagras med konventionell kryptografi kommer att bli osäker så snart den första tillräckligt kraftfulla kvantdatorn slås på.

Med den plötsliga brådskan att använda kryptovalutor skulle det helt klart vara användbart att framtidssäkra tekniken mot detta kvanthot.

Ref: arxiv.org/abs/1705.09258 : Quantum-Secured Blockchain

Dölj