Help, brengt Google’s quantumcomputer Bitcoin in gevaar?

Quantum... wat?

Je maakt waarschijnlijk dagelijks gebruik van een computer. Een laptop, tablet, smartphone, en tegenwoordig zelfs je koelkast. Al deze systemen werken op het laagste niveau met bits. Een bit is de kleinste eenheid van informatie. Een symbool die twee waarden kan aannemen. Aan of uit. Het binaire talstelsel geeft er de waarden 1 en 0 aan.

Met bits kan alle informatie uitgedrukt worden. In een computer neemt een processor die taak voor z’n rekening. Hoewel processoren jaarlijks sneller worden, zitten er beperkingen aan die snelheid. Daarom zijn de slimme koppen van deze wereld op zoek naar een manier om informatie sneller uit te kunnen drukken. En die is er: de qubit. Dat is een bit die zowel aan als uit kan staan (de zogeheten superpositie), waarmee specifieke informatie veel sneller verwerkt kan worden dan met normale bits ooit kan.

Onmogelijk, denk je wellicht. Je bevindt je in goed gezelschap: er is nog geen mens geweest die heeft beweerd de theorie achter quantummechanica volledig te begrijpen. Zelfs de natuurkundige Richard Feynman (1918-1988) zei in een les: “Ik denk dat ik veilig kan zeggen dat niemand de quantumechanica begrijpt”. Het is ingewikkelde materie. Hoe het precies werkt, weet zelfs de wetenschap nog niet. Maar we weten er voldoende over om er mee te experimenteren, en daarmee heeft Google volgens het FT gezorgd voor een doorbraak.

Google claims to have built the first quantum computer that can carry out calculations beyond the ability of today’s most powerful supercomputers, a landmark moment that has been hotly anticipated by researchers. https://t.co/JYoRuiGcLG

— Financial Times (@FinancialTimes) September 20, 2019

Snel rekenen

FT heeft een onderzoeksdocument van Google ingezien dat kort op de NASA-website te vinden was. Dat document is inmiddels helaas verwijderd. De quantumprocessor van Google zou een berekening waar de Summit-supercomputer tienduizend jaar over zou doen in slechts drie minuten en twintig seconden hebben afgerond.

Dat wordt een doorbraak genoemd, omdat het de eerste keer is dat een quantumcomputer een taak uitvoert die gewone computers niet kunnen. Die staat wordt ‘quantumsuperioriteit’ genoemd, en er worden al jaren pogingen gedaan om daar te komen. Anders gezegd: als de bewering van Google standhoudt, is dat groot nieuws.

Het artikel beschrijft hoe de quantumprocessor, Sycamore genaamd, een kanssteekproef uitvoert. Dat wil zeggen dat de computer controleert of een set getallen écht willlekeurig is verdeeld. Voor traditionele computers is dat een moeilijke klus als er veel getallen in het spel zijn.

Dat is ook direct het énige dat Sycamore kan. Het ging om een proof-of-concept. Maar in de toekomst verwacht John Martinis, de auteur van het desbetreffende artikel, dat “de quantumrekenmethode nuttig kan zijn op het gebied van kunstmatige intelligentie, materiaalkunde, en scheikunde”.

Cryptografie

Eén van de grootste drempels rondom quantumcomputers is het omgaan met alle ruis die door de qubits wordt geproduceerd. Je kan qubits zien als hyperactieve bits, en dat maakt het lastig om erachter te komen wat ze precies aan het doen zijn. De afgelopen twee jaar zijn er op dit terrein diverse doorbraken geweest, waardoor vatbaarheid voor fouten verminderd is, en ruis beter onderdrukt kan worden. De verwachting is dat in de komende 12 maanden de eerste processor met 100 qubits het leven ziet.

De wereld van quantumcomputers is even complex als wonderlijk. Maar die combinatie zorgt ook voor onrust. De Washington Post schreef bijvoorbeeld dat “quantumcomputers wel eens een grotere bedreiging kunnen zijn dan kunstmatige intelligentie is”. Eén van die bedreigingen gaat door het leven onder de noemer ‘quantum brute-force’.

Brute force is het gebruik van rekenkracht om een probleem op te lossen met een computer. Denk bijvoorbeeld aan de rekenkracht die miners aan Bitcoin spenderen om de hash te vinden van het volgende block. Wat nu als quantumcomputers in staat zijn om die berekeningen zodanig veel sneller te doen dat het vinden van die hash kinderspel is geworden? Dat de ‘difficulty’ omhoog gaat zonder dat het wezenlijk effect heeft?

In mei 2018 waarschuwde IBM al: ‘migreer je data vandaag’. Ze vertellen over het – inmiddels levensvatbare – scenario waarin de op dit moment gangbare vormen van encryptie in één keer waardeloos zijn geworden. “Iedereen die wil dat hun data voor langer dan 10 jaar beschermd is moet nú overstappen op andere vormen van encryptie”, zei Arvind Krishna, directeur van IBM Research.

Nee, de quantumcomputers van IBM en Google zijn nú nog geen risico voor Bitcoin. Maar dat kan over een jaar of 5 best eens anders zijn, als we de voorspelling van Krishna aanhouden. Anderen denken dat het nog tientallen jaren kan duren voordat quantumsystemen in de praktijk gebruikt kunnen worden. Toch is het niet meer de vraag óf een quantumcomputer in de toekomst de encryptie ten grondslag aan blockchains onschadelijk kan maken, maar wanneer.

Is het dan een gelopen race? Zeker niet. Het is überhaupt nog de vraag wat precies de invloed is van quantumcomputers op blockchains zoals die van Bitcoin en hoe ingrijpend de maatregelen daartegen zijn.

Maar er is wel proactiviteit en voorbereiding vereist. Systemen moeten ‘verhard’ worden, en je kan er vanuit gaan dat encryptie sterker wordt naarmate de rekenkracht van de (quantum)computer toeneemt. Dat is een race die waarschijnlijk nooit ten einde komt. En – gelukkig maar – in het geval van Bitcoin is onderzoek naar verdediging (PDF) tegen ‘quantum attacks’ in volle gang. Gegeven een proactieve houding onder Bitcoin-ontwikkelaars, is er nog voldoende tijd om adequate maatregelen te nemen.