Mengapa fisika komputasi kuantum yang mencengangkan sangat menakutkan bagi bitcoin dan kripto

Minggu ini, Google menerbitkan sebuah makalah yang menjelaskan bagaimana komputer kuantum secara teoritis dapat memperoleh kunci pribadi bitcoin 9 menitdengan konsekuensi yang meluas ke Ethereum, token lain, perbankan swasta, dan kemungkinan segala hal di dunia.

Komputasi kuantum mudah disalahartikan sebagai versi komputer biasa yang lebih cepat. Namun ini bukanlah chip yang lebih kuat atau server farm yang lebih besar. Ini adalah jenis mesin yang berbeda secara fundamental, berbeda pada tingkat atom itu sendiri.

Komputer kuantum dimulai dengan lingkaran logam yang sangat dingin dan sangat kecil tempat partikel mulai berperilaku berbeda dalam kondisi normal di Bumi, cara yang mengubah apa yang kita anggap sebagai aturan dasar fisika.

Memahami maknanya, secara fisik, adalah perbedaan antara membaca tentang ancaman kuantum dan benar-benar memahaminya.

Bagaimana sebenarnya komputer dan komputer kuantum bekerja

Komputer biasa menyimpan informasi dalam bentuk bit — masing-masing berupa 0 atau 1. Bit adalah saklar kecil. Secara fisik, ini adalah transistor pada sebuah “chip” — sebuah gerbang mikroskopis yang memungkinkan listrik mengalir (1) atau tidak (0).

Setiap foto, setiap transaksi bitcoin, setiap kata yang pernah Anda ketik disimpan sebagai pola aktif atau nonaktif tombol ini. Tidak ada yang misterius tentang sedikit pun; itu adalah objek fisik di salah satu dari dua keadaan pasti.

Setiap perhitungan hanya mengacak angka 0 dan 1 ini dengan sangat cepat. Sebuah chip modern dapat melakukan miliaran hal ini per detik, namun tetap melakukannya satu per satu, secara berurutan.

Komputer kuantum menggunakan sesuatu yang dikenal sebagai qubit, bukan bit. Sebuah qubit bisa bernilai 0, 1, atau — dan ini bagian yang aneh — keduanya sekaligus!

Hal ini dimungkinkan karena qubit adalah jenis objek fisik yang sangat berbeda. Versi paling umum, dan yang digunakan Google, adalah lingkaran kecil logam superkonduktor yang didinginkan hingga sekitar 0,015 derajat di atas nol mutlak, lebih dingin dari luar angkasa tetapi di Bumi.

Pada suhu tersebut, listrik mengalir melalui loop tanpa hambatan apa pun, dan arus dikatakan ada dalam keadaan kuantum.

Dalam loop superkonduktor, arus dapat mengalir searah jarum jam (sebut saja 0) atau berlawanan arah jarum jam (sebut saja 1). Namun pada skala kuantum, arus tidak harus memilih satu arah dan sebenarnya mengalir ke dua arah secara bersamaan.

Jangan salah mengartikannya sebagai peralihan di antara keduanya dengan sangat cepat. Arus ini dapat diukur, secara eksperimental dan dapat diverifikasi di kedua keadaan secara bersamaan.

Fisika yang mencengangkan

Bersama kita sejauh ini? Hebat, karena di sinilah hal ini menjadi benar-benar aneh, karena fisika di balik cara kerjanya tidak langsung bersifat intuitif, dan memang tidak seharusnya demikian.

Segala sesuatu yang berinteraksi dengan seseorang dalam kehidupan sehari-hari mematuhi fisika klasik, yang mengasumsikan bahwa segala sesuatu berada di satu tempat pada satu waktu. Namun partikel tidak berperilaku seperti ini pada skala subatom.

Sebuah elektron tidak memiliki posisi pasti sampai Anda melihatnya. Sebuah foton tidak memiliki polarisasi yang pasti sampai Anda mengukurnya. Arus dalam loop superkonduktor tidak mengalir ke arah yang pasti sampai Anda memaksanya untuk mengambil.

Alasan kita tidak mengalami hal ini dalam kehidupan sehari-hari adalah dekoherensi. Ketika sistem kuantum berinteraksi dengan lingkungannya, molekul udara, panas, getaran, dan cahaya, superposisinya langsung runtuh.

Sebuah bola sepak tidak bisa berada di dua tempat sekaligus karena ia berinteraksi dengan triliunan molekul udara, debu, suara, panas, gravitasi, dan sebagainya, setiap nanodetik. Namun dengan mengisolasi arus kecil dalam ruang hampa yang mendekati nol mutlak, melindunginya dari setiap gangguan yang mungkin terjadi, maka perilaku kuantum akan bertahan cukup lama untuk dapat dihitung.

Itu sebabnya komputer kuantum sangat sulit dibuat. Manusia merekayasa lingkungan fisik di mana hukum fisika yang biasanya mencegah terjadinya hal ini ditahan cukup lama untuk menjalankan perhitungan.

Mesin Google beroperasi dalam lemari es pengenceran seukuran ruangan besar, lebih dingin dari apa pun di alam semesta, dikelilingi oleh lapisan pelindung terhadap kebisingan elektromagnetik, getaran, dan radiasi termal.

Dan qubitnya rapuh itupun. Mereka terus-menerus kehilangan status kuantumnya, itulah sebabnya “koreksi kesalahan” mendominasi setiap pembicaraan mengenai peningkatan skala.

Jadi komputasi kuantum bukanlah versi komputasi klasik yang lebih cepat. Ia mengeksploitasi serangkaian hukum fisika berbeda yang hanya berlaku pada skala yang sangat kecil, suhu yang sangat rendah, dan jangka waktu yang sangat singkat.

Sekarang susun itu.

Dua bit reguler dapat berada dalam salah satu dari empat keadaan (00, 01, 10, 11), tetapi hanya satu pada satu waktu (karena arus mengalir hanya dalam satu arah). Dua qubit dapat mewakili keempat keadaan sekaligus, karena arus mengalir ke segala arah pada waktu yang bersamaan.

Tiga qubit mewakili delapan negara bagian. Sepuluh qubit mewakili 1.024. Lima puluh qubit mewakili lebih dari satu kuadriliun. Jumlahnya berlipat ganda setiap kali qubit ditambahkan, itulah sebabnya penskalaannya sangat eksponensial.

Trik kedua adalah sesuatu yang disebut keterikatan. Saat dua qubit terjerat, pengukuran salah satu qubit akan langsung memberi tahu pengamat sesuatu tentang qubit lainnya, tidak peduli seberapa jauh jaraknya. Hal ini memungkinkan komputer kuantum berkoordinasi di seluruh keadaan simultan dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh komputasi paralel biasa.

Dan komputer kuantum ini diatur sedemikian rupa sehingga jawaban yang salah saling meniadakan (seperti gelombang yang tumpang tindih dan merata) dan jawaban yang benar saling menguatkan (seperti gelombang yang bertumpuk lebih tinggi). Pada akhir penghitungan, jawaban yang benar memiliki probabilitas tertinggi untuk diukur.

Jadi ini bukan kecepatan brute force. Ini adalah pendekatan penghitungan yang berbeda secara fundamental – pendekatan yang memungkinkan alam menjelajahi kemungkinan yang sangat besar secara eksponensial dan kemudian memberikan jawaban yang benar melalui fisika, bukan logika.

Ancaman besar terhadap kriptografi

Fisika yang mencengangkan inilah yang menyebabkan enkripsi sangat menakutkan.

Perhitungan matematika yang melindungi bitcoin bergantung pada asumsi bahwa memeriksa setiap kunci yang mungkin akan memakan waktu lebih lama daripada usia alam semesta.

Namun komputer kuantum tidak memeriksa setiap kunci. Ia mengeksplorasi semuanya secara bersamaan dan menggunakan interferensi untuk memunculkan interferensi yang benar.

Di situlah kaitannya dengan Bitcoin. Beralih ke satu arah, dari kunci privat ke kunci publik, memerlukan waktu milidetik. Untuk beralih ke arah lain, dari kunci publik kembali ke kunci privat, komputer klasik akan membutuhkan waktu satu juta tahun, atau bahkan lebih lama dari usia alam semesta. Asimetri itu adalah satu-satunya hal yang membuktikan bahwa seseorang memegang koinnya.

Komputer kuantum yang menjalankan algoritma bernama Shor dapat melewati pintu jebakan itu secara terbalik. Makalah Google minggu ini menunjukkan bahwa mereka dapat melakukannya dengan sumber daya yang jauh lebih sedikit daripada perkiraan sebelumnya, dan dalam jangka waktu yang berpacu dengan konfirmasi blok bitcoin sendiri.

Inilah sebabnya mengapa ancaman komputer kuantum yang melanggar enkripsi blockchain benar-benar membuat semua orang sangat khawatir.

Cara kerja serangan tersebut selangkah demi selangkah, apa yang secara khusus diubah oleh makalah Google, dan apa dampaknya terhadap 6,9 juta bitcoin yang sudah terekspos, adalah subjek dari artikel berikutnya dalam seri ini.