Om kvantdatorer hotar blockkedjor kan kvantblockkedjor vara försvaret

En blockchain är en matematisk struktur som lagrar data säkert över tid. Idén har blivit berömmelse på baksidan av Bitcoin-boomen. Bitcoin förlitar sig på blockkedjor för att säkert lagra sina relaterade valutatransaktioner.

Men samma teknik kan lagra vilken typ av data som helst – leveransdata, utvecklingen av datorprogram, smarta kontrakt och så vidare. Faktum är att blockkedjor ser ut att bli en av 2000-talets möjliggörande teknologier.

Och ändå har de en akilleshäl. Säkerheten för en blockchain garanteras av vanliga kryptografiska funktioner. Dessa är relativt säkra eftersom att bryta dem kräver enorma datorresurser, som inte är allmänt tillgängliga.

Det ser ut att förändras med framväxten av kraftfulla kvantdatorer. Det kommer att vara en barnlek för sådana enheter att bryta detta slags kryptografiska skydd. Men kvantdatorer kan inte bryta kvantkryptografiska koder, så olika grupper har föreslagit att man lägger till kvantkryptografi till blockkedjor för att garantera deras säkerhet.

Det finns en bättre, mer grundläggande lösning, säger Del Rajan och Matt Visser vid Victoria University of Wellington i Nya Zeeland. Kvantkryptografi lägger bara till ett kvantlager till standardblockkedjeprotokollet. Istället föreslår de att göra hela blockkedjan till ett kvantfenomen.

Deras idé är att skapa en blockkedja med hjälp av kvantpartiklar som är intrasslade i tiden. Det skulle tillåta en enda kvantpartikel att koda historien för alla sina föregångare på ett sätt som inte kan hackas utan att förstöra den. Ett sådant protokoll förlitar sig på fysikens lagar för att garantera säkerheten. Men det leder också till någon ovanliga biverkningar. Denna decentraliserade kvantblockkedja kan ses som en kvantnätverksbaserad tidsmaskin, säger Rajan och Visser.

Först lite bakgrund. En blockkedja är helt enkelt en reskontra som registrerar information av en viss typ, till exempel valutatransaktioner. Transaktionerna läggs kontinuerligt till i en databas som kallas ett block, men i slutet av en given tidsperiod krypteras blocket med hjälp av en matematisk enhet som kallas en hashfunktion. Detta ger ett unikt nummer som kan användas för att representera data exakt.

Detta unika nummer inkluderas sedan i nästa block med nästa uppsättning transaktioner. Efter en tid krypteras allt med hashfunktionen för att skapa ett nytt unikt nummer. Detta läggs till i nästa block. Och så vidare, skapa en kedja av block som alla är kapslade i det senaste – därav namnet blockchain.

Alla som försöker förfalska den historiska posten skulle behöva hitta ett sätt att ändra data på ett sätt som inte ändrar resultatet av hashfunktionen. Och det är så beräkningsmässigt utmanande att det anses omöjligt med en klassisk dator. Men det är möjligt med den sortens kvantdatorer som snart kommer att finnas tillgängliga.

Så Rajan och Visser har kommit på ett annat tillvägagångssätt som bygger på en helt kvantversion av en blockchain. Fenomenet i hjärtat av deras tillvägagångssätt kallas förtrassling. När två kvantpartiklar är intrasslade delar de samma existens. Detta händer när de interagerar vid samma tidpunkt i rum och tid. Därefter påverkar en mätning på den ena omedelbart den andra, oavsett hur långt ifrån varandra de än befinner sig.

Det som garanterar säkerheten är att intrassling är utomordentligt ömtålig. En mätning på en av ett par intrasslade partiklar förstör omedelbart länken. Så om en illvillig användare försöker störa en av paret är det omedelbart uppenbart för den andra.

Precis som partiklar kan trassla in sig över rymden, kan de också trassla in sig med tiden. Så en partikel som existerar i nuet kan intrasslas med en som fanns i det förflutna. Och en mätning på den påverkar omedelbart dess föregångare.

Det leder till några subtila och kontraintuitiva fenomen. Till exempel finns det en speciell kvantkänsla där det blir möjligt att påverka det förflutna. Naturligtvis finns det strikta gränser för vad detta möjliggör. Det är till exempel inte möjligt att sätta igång en serie händelser som kommer att döda dina farföräldrar och på så sätt säkerställa att du aldrig har funnits. Den typen av paradox är inte tillåten.

Men det blir svårare att skilja på orsak och verkan. En annan effekt är att det blir möjligt att öka mängden information som kan överföras över tiden.

Det är den här typen av temporal förveckling som Rajan och Visser utnyttjar för att producera en kvantblockkedja. Grundidén är att koda data på en kvantpartikel. Detta blir det första kvantblocket.

När mer data är tillgänglig kombineras detta med data från den första partikeln i en kvantoperation som trasslar in den med en andra partikel. Det förra kasseras sedan och posten för det första blocket av transaktioner kombineras med det andra blocket. Data från ett tredje block kan läggas till på samma sätt, vilket skapar en kedja.

Denna kedja är säker eftersom alla som försöker manipulera den omedelbart ogiltigförklarar den. Det är fördelen med kvantintrassling.

Denna kvantblockkedja har en annan fördel: de tidigare blocken är helt manipulationssäkra. Angriparen kan inte ens försöka komma åt de tidigare fotonerna eftersom de inte längre finns, säger Rajan och Visser. Entrassling i tid ger en mycket större säkerhetsfördel än en intrassling i rymden.

Dessutom finns det mesta av tekniken för att få det här att fungera, åtminstone i proof-of-princip-form. Alla delsystem av denna design har redan visat sig vara experimentellt realiserade, säger Rajan och Visser.

Det är intressant arbete som sannolikt kommer att bli mer relevant när kraftfulla kvantdatorer börjar dyka upp. IBM har redan en kvantdator på 50 qubit, och kraftfullare maskiner är på gång. Det är bara en tidsfråga innan de blir kapabla att undergräva förtroendet för blockkedjor.

Men en viktig del av den infrastruktur som krävs för att få den här typen av kvantblockkedjor att fungera är ännu inte tillgänglig: en kvantnät. Detta är ett nätverk som kan överföra kvantinformation via kvantroutrar utan att förstöra dess kvantegenskaper. Denna typ av system designas för närvarande och förväntas rullas ut i Europa, USA och Kina under de kommande månaderna eller åren.

Faktum är att jobbet att bygga ett sådant system är i huvudsak en ingenjörsuppgift snarare än en grundläggande fysik. Så det är bara en tidsfråga innan en kvantblockkedja blir möjlig. Om det blir det här protokollet som framstår som det bästa är en annan fråga såklart.

Kanske skulle Rajan och Visser kunna använda sin kvanttidsmaskin på bästa sätt genom att ta reda på vilken teknologi som så småningom segrar i framtiden!

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

Dölj