Pourquoi la physique déroutante de l'informatique quantique est terrifiante pour le Bitcoin et la crypto

Cette semaine, Google a publié un article décrivant comment un ordinateur quantique pourrait théoriquement dériver une clé privée Bitcoin en 9 minutes, avec des ramifications qui s'étendent à Ethereum, d'autres tokens, la banque privée et potentiellement tout dans le monde.

L'informatique quantique est facile à confondre avec une version plus rapide d'un ordinateur ordinaire. Mais ce n'est pas une puce plus puissante ou une ferme de serveurs plus grande. C'est un type de machine fondamentalement différent, différent au niveau de l'atome lui-même.

Un ordinateur quantique commence par une boucle de métal très froide et très petite où les particules commencent à se comporter de manière différente de celle dont elles se comportent dans des conditions normales sur Terre, de manière à modifier ce que nous considérons comme les règles de base de la physique.

Comprendre ce que cela signifie physiquement, c'est la différence entre lire sur la menace quantique et la saisir réellement.

Comment fonctionnent réellement les ordinateurs et les ordinateurs quantiques

Les ordinateurs ordinaires stockent les informations sous forme de bits — chacun est soit un 0, soit un 1. Un bit est un petit interrupteur. Physiquement, c'est un transistor sur une « puce » — une porte microscopique qui laisse passer l'électricité (1) ou non (0).

Chaque photo, chaque transaction Bitcoin, chaque mot que vous avez jamais tapé est stocké sous forme de modèles de ces interrupteurs étant activés ou désactivés. Il n'y a rien de mystérieux à propos d'un bit ; c'est un objet physique dans l'un des deux états définis.

Chaque calcul consiste simplement à mélanger ces 0 et 1 très rapidement. Une puce moderne peut en faire des milliards par seconde, mais elle les fait toujours un à la fois, en séquence.

Les ordinateurs quantiques utilisent quelque chose appelé qubits au lieu de bits. Un qubit peut être 0, 1, ou — et c'est la partie étrange — les deux en même temps !

Cela est possible car un qubit est un type d'objet physique complètement différent. La version la plus courante, et celle que Google utilise, est une minuscule boucle de métal supraconducteur refroidie à environ 0,015 degré au-dessus du zéro absolu, plus froide que l'espace mais ici sur Terre.

À cette température, l'électricité circule dans la boucle sans aucune résistance, et le courant est dit exister dans un état quantique.

Dans la boucle supraconductrice, le courant peut circuler dans le sens horaire (appelons cela 0) ou dans le sens antihoraire (appelons cela 1). Mais à l'échelle quantique, le courant n'a pas à choisir une direction et circule en fait dans les deux directions simultanément.

Ne confondez pas cela avec un basculement très rapide entre les deux. Le courant est mesurable, expérimentalement et vérifiable dans les deux états simultanément.

Une physique déconcertante

Vous nous suivez jusqu'ici ? Parfait, car c'est là que cela devient vraiment étrange, car la physique derrière son fonctionnement n'est pas immédiatement intuitive, et elle n'est pas censée l'être.

Tout ce avec quoi quelqu'un interagit dans la vie quotidienne obéit à la physique classique, qui suppose que les choses sont à un endroit à un moment donné. Mais les particules ne se comportent pas de cette manière à l'échelle subatomique.

Un électron n'a pas de position définie jusqu'à ce que vous le regardiez. Un photon n'a pas de polarisation définie jusqu'à ce que vous le mesuriez. Un courant dans une boucle supraconductrice ne circule pas dans une direction définie jusqu'à ce que vous le forciez à choisir.

La raison pour laquelle nous ne vivons pas cela dans la vie quotidienne est la décohérence. Lorsqu'un système quantique interagit avec son environnement, les molécules d'air, la chaleur, les vibrations et la lumière, la superposition s'effondre presque instantanément.

Un ballon de football ne peut pas être à deux endroits à la fois car il interagit avec des billions de molécules d'air, de poussière, de son, de chaleur, de gravité, etc., à chaque nanoseconde. Mais isolez un petit courant dans un vide proche du zéro absolu, protégez-le de toute perturbation possible, et le comportement quantique survit assez longtemps pour calculer avec.

C'est pourquoi les ordinateurs quantiques sont si difficiles à construire. Les gens conçoivent des environnements physiques où les lois de la physique qui empêchent normalement ces choses de se produire sont maintenues à distance juste assez longtemps pour exécuter un calcul.

Les machines de Google fonctionnent dans des réfrigérateurs à dilution de la taille d'immenses pièces, plus froides que tout dans l'univers naturel, entourées de couches de blindage contre le bruit électromagnétique, les vibrations et le rayonnement thermique.

Et les qubits sont fragiles même alors. Ils perdent constamment leur état quantique, c'est pourquoi la « correction d'erreurs » domine chaque conversation sur la mise à l'échelle.

Donc l'informatique quantique n'est pas une version plus rapide de l'informatique classique. Elle exploite un ensemble différent de lois physiques qui ne s'appliquent qu'à des échelles extrêmement petites, des températures extrêmement basses et des délais extrêmement courts.

Maintenant, empilez cela.

Deux bits ordinaires peuvent être dans l'un des quatre états (00, 01, 10, 11), mais un seul à la fois (puisque le courant ne circule que dans une seule direction). Deux qubits peuvent représenter les quatre états à la fois, car le courant circule dans toutes les directions en même temps.

Trois qubits représentent huit états. Dix qubits représentent 1 024. Cinquante qubits représentent plus d'un quadrillion. Le nombre double avec chaque qubit ajouté, c'est pourquoi la mise à l'échelle est si exponentielle.

La deuxième astuce s'appelle l'intrication. Lorsque deux qubits sont intriqués, mesurer l'un indique instantanément à un observateur quelque chose sur l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Cela permet à un ordinateur quantique de se coordonner à travers tous ces états simultanés d'une manière que l'informatique parallèle ordinaire ne peut pas.

Et ces ordinateurs quantiques sont configurés de sorte que les mauvaises réponses s'annulent mutuellement (comme des vagues qui se chevauchent et s'aplatissent) et les bonnes réponses se renforcent mutuellement (comme des vagues qui s'empilent plus haut). À la fin du calcul, la bonne réponse a la plus forte probabilité d'être mesurée.

Donc ce n'est pas une vitesse brute. C'est une approche fondamentalement différente du calcul — une approche qui permet à la nature d'explorer un espace exponentiellement large de possibilités, puis de s'effondrer sur la bonne réponse par la physique plutôt que par la logique.

Une menace monumentale pour la cryptographie

Cette physique déconcertante est la raison pour laquelle c'est terrifiant pour le chiffrement.

Les mathématiques protégeant Bitcoin reposent sur l'hypothèse que vérifier chaque clé possible prendrait plus longtemps que l'âge de l'univers.

Mais un ordinateur quantique ne vérifie pas chaque clé. Il les explore toutes simultanément et utilise l'interférence pour faire émerger la bonne.

C'est là que cela se lie à Bitcoin. Aller dans une direction, de la clé privée à la clé publique, prend des millisecondes. Aller dans l'autre direction, de la clé publique à la clé privée, prendrait à un ordinateur classique un million d'années, voire plus longtemps que l'âge de l'univers. Cette asymétrie est la seule chose qui prouve qu'une personne détient ses pièces.

Un ordinateur quantique exécutant un algorithme appelé Shor peut passer par cette trappe en sens inverse. L'article de Google cette semaine a montré qu'il pouvait le faire avec beaucoup moins de ressources que quiconque ne l'avait estimé auparavant, et dans un délai qui rivalise avec les propres confirmations blocs de Bitcoin.

C'est pourquoi la menace des ordinateurs quantiques brisant le chiffrement blockchain inquiète vraiment tout le monde.

Comment cette attaque fonctionne étape par étape, ce que l'article de Google a spécifiquement changé, et ce que cela signifie pour les 6,9 millions de Bitcoin déjà exposés, fait l'objet de la prochaine pièce de cette série.