الحوسبة الكمية هي تهديد كبير لبيتكوين والقطاع التشفيري

هذا الأسبوع، تنشر Google ورقة بحثية تصف كيف يمكن — من حيث المبدأ — لجهاز حاسوب كمي أن يستنتج المفتاح الخاص لـ Bitcoin في 9 دقائق، بما يترتب عليه تداعيات تمتد إلى Ethereum، وإلى توكنات أخرى، والبنوك الخاصة، وربما كل شيء في هذا العالم.

غالبًا ما يُساء فهم الحواسيب الكمية باعتبارها نسخة أسرع من الحواسيب العادية. لكنها ليست شريحة أقوى ولا عنقود خوادم أكبر. إنها نوع مختلف تمامًا من الآلات، مختلف منذ مستوى الذرة.

يبدأ الحاسوب الكمي بجزء معدني صغير جدًا جدًا، شديد البرودة، حيث تبدأ الجسيمات بالتصرف بطرق لا تتصرف بها في الظروف العادية على الأرض، وهي طرق تغيّر ما نعدّه دائمًا القواعد الأساسية للفيزياء.

إن فهم ذلك — على نحو فيزيائي — هو الحد الفاصل بين مجرد القراءة عن التهديد الكمي وبين امتلاك القدرة فعليًا على الإمساك به.

كيف تعمل الحواسيب والحواسيب الكمية فعلًا

تخزن الحواسيب العادية المعلومات باستخدام وحدات البت (bit) — كل بت هو 0 أو 1 فقط. البت هو مفتاح صغير جدًا. فعليًا، يتمثل في ترانزستور على “الشريحة” — بوابة دقيقة إما تسمح بمرور الكهرباء (1) أو لا تسمح بمرورها (0).

يتم تخزين كل صورة، وكل معاملة على Bitcoin، وكل كلمة كتبتها على الإطلاق، على شكل أنماط من مفاتيح تبدو كأنها في وضع تشغيل أو إيقاف مثل هذا. لا يوجد شيء غامض في البت؛ فهو جسم مادي في إحدى حالتيه المحددتين.

كل عملية حسابية بسيطة هي مجرد ترتيب تلك الأصفار والآحاد بسرعة فائقة. يمكن لشريحة حديثة تنفيذ مليارات هذه العمليات كل ثانية، لكنها مع ذلك تقوم بها عمليةً واحدةً تلو الأخرى، وبالترتيب.

تستخدم الحواسيب الكمية شيئًا يُسمى qubit بدلًا من bit. يمكن للكيوبت أن يكون 0 أو 1، أو — وهذه هي النقطة الغريبة — كلاهما في الوقت نفسه!

يمكن أن يحدث هذا لأن الكيوبت هو نوع من الأجسام المادية مختلف تمامًا. الشكل الأكثر شيوعًا — والذي تستخدمه Google أيضًا — هو حلقة معدنية فائقة التوصيل صغيرة جدًا يتم تبريدها إلى نحو 0,015 درجة فوق الصفر المطلق، أبرد من أي شيء يوجد في الطبيعة، لكنها ما تزال موجودة على الأرض.

عند درجة الحرارة هذه، تجري الكهرباء عبر الحلقة دون مقاومة، ويُقال إن تيار الكهرباء يوجد في حالة كمومية.

داخل حلقة فائقة التوصيل تلك، يمكن للتيار أن يتدفق في اتجاه عقارب الساعة (ويُسمّى 0) أو عكس اتجاه عقارب الساعة (ويُسمّى 1). لكن على مستوى الكم، لا يتعيّن على التيار اختيار اتجاه واحد؛ بل يمكنه أن يتدفق فعليًا في الاتجاهين معًا في اللحظة نفسها.

لا تخلط بين ذلك وبين التحول ذهابًا وإيابًا بين حالتين بسرعة فائقة. يمكن قياس هذا التيار والتحقق منه تجريبيًا ورصده على أنه موجود في الحالتين معًا.

فيزياء مبهرة ومدهشة

هل الأمور جيدة حتى الآن؟ حسنًا، لأن الجزء التالي هو الأكثر غرابة فعلًا: فالفيزياء الكامنة وراء طريقة عمله ليست بديهية فورًا، ولم تُصمَّم أصلًا لتكون بديهية.

كل ما يتفاعل معه البشر في حياتهم اليومية يخضع للفيزياء الكلاسيكية، والتي تفترض أن الجسم موجود في مكان ما في لحظة ما. لكن الجسيمات لا تتصرف بهذه الطريقة على المقاييس الصغيرة جدًا.

لا يمتلك الإلكترون موقعًا محددًا حتى تنظر إليه. ولا يمتلك الفوتون استقطابًا محددًا حتى تقيسه. ولا يتدفق تيار في حلقة فائقة التوصيل باتجاه محدد حتى تُجبره على أن يختار.

سبب أننا لا نختبر هذا في الحياة اليومية هو ظاهرة فقدان التراكب الكمي. عندما يتفاعل نظام كمومي مع بيئته — جزيئات الهواء، والحرارة، والاهتزازات، والضوء — تنهار حالات التراكب تقريبًا فورًا.

لا يمكن لكرة قدم أن تكون في مكانين في الوقت نفسه لأنها تتفاعل مع تريليونات من جزيئات الهواء والغبار والصوت والحرارة والجاذبية… كل ثانية نانو. لكن إذا عزلت تيارًا صغيرًا جدًا في بيئة فراغ قريبة من الصفر المطلق، محميًا من أي اضطرابات محتملة، فإن السلوك الكمومي سيسعى للبقاء مدة كافية لإجراء الحسابات.

ولهذا السبب يكون صنع الحواسيب الكمية شديد الصعوبة. يقوم العلماء بتصميم بيئات فيزيائية تُكبَح فيها القوانين التي عادةً تمنع هذه الظاهرة من الاستمرار مدة كافية، بحيث تُتاح لها فترة تمكن من إكمال عملية حسابية.

تعمل أجهزة Google داخل ثلاجات مخففة بحجم غرف كبيرة، أبرد من أي شيء موجود في الطبيعة، ومُحاطة بعدة طبقات من التدريع ضد التداخلات الكهرومغناطيسية والاهتزازات والإشعاع الحراري.

ومع ذلك تظل الكيوبتات شديدة الهشاشة حتى في ذلك الوضع. إنها تفقد الحالة الكمومية باستمرار، ولذلك تصبح “معالجة الأخطاء” موضوعًا مسيطرًا على كل النقاشات حول قابلية التوسع.

لذلك، ليست الحواسيب الكمية نسخة أسرع من الحواسيب الكلاسيكية. إنها تستفيد من مجموعة أخرى من القواعد الفيزيائية، تلك التي لا تنطبق إلا على المقاييس الصغيرة جدًا، ودرجات الحرارة شديدة الانخفاض، وفي فترات زمنية قصيرة جدًا.

الآن اضرب ذلك.

يمكن لبتّين عاديين أن يكونا في إحدى أربع حالات (00, 01, 10, 11)، لكن في حالة واحدة فقط في كل مرة (لأن التيار يتدفق باتجاه واحد). يمكن لبتّين كمّيَين تمثيل جميع الحالات الأربع معًا، لأن التيار يتدفق في كل الاتجاهات في الوقت نفسه.

ثلاثة كيوبتات تمثل ثماني حالات. خمسة كيوبتات تمثل 1.024. خمسون كيوبتًا تمثل أكثر من مليون مليار. يتضاعف الرقم مع كل كيوبت تتم إضافته، لذا فإن التوسع يكون شديدًا بشكل أُسّي.

النصيحة الثانية هي ما يُسمى التشابك الكمي. عندما يصبح كيوبتَان متشابكين، فإن قياس كيوبت واحد يُعلِم المُراقِب فورًا بشيء ما عن الكيوبت الآخر، مهما كانت المسافة بينهما. يسمح ذلك لحاسوب كمي بأن ينسّق عبر كامل مجموعة الحالات في الوقت نفسه بطريقة لا يستطيع بها الحساب المتوازي العادي القيام بذلك.

ثم تُضبط هذه الحواسيب الكمية بحيث تتلاشى الإجابات الخاطئة (مثل موجات تتراكب ثم تتسطح) وتُدفَع الإجابات الصحيحة للتضخيم (مثل موجات تتراكب بارتفاع). في نهاية عملية الحساب، تصبح احتمالية ملاحظة الإجابة الصحيحة أعلى ما يمكن.

لذلك، هذا ليس عن “القوة الغاشمة” brute-force. هذه طريقة حساب مختلفة تمامًا — طريقة تسمح للطبيعة باستكشاف مساحة احتمالات تتزايد بشكل أُسّي ثم “الانهيار” إلى الإجابة الصحيحة عبر الفيزياء لا عبر المنطق.

التهديد الهائل للتشفير

إن الفيزياء المبهرة المدهشة هذه هي بالضبط ما يجعلها مخيفة بالنسبة للتشفير.

تحمي الرياضيات التي تدعم Bitcoin افتراضًا مفاده أن التحقق من كل مفتاح قد يستغرق وقتًا أطول من عمر الكون.

لكن الحاسوب الكمي لا يتحقق من كل مفتاح على حدة. بل يستكشف جميع المفاتيح في الوقت نفسه، ويستخدم التداخل لإظهار الإجابة الصحيحة.

وهذه نقطة الصلة بـ Bitcoin. في اتجاه واحد، من المفتاح الخاص إلى المفتاح العام، لا يستغرق الأمر سوى بضعة أجزاء من الثانية بالميلي ثانية. وفي الاتجاه المعاكس، من المفتاح العام إلى المفتاح الخاص، سيحتاج حاسوب تقليدي إلى مليون سنة، أو حتى أكثر من عمر الكون. هذا التفاوت هو ما يثبت أن شخصًا ما يمتلك عملاته.

يمكن لحاسوب كمي يشغّل خوارزمية باسم Shor أن يعبر “الممر/العقبة” تلك. تُظهر ورقة Google البحثية لهذا الأسبوع أنه يمكنه القيام بذلك بموارد أقل بكثير مما قدرتْه التقديرات السابقة للجميع، وفي إطار زمني ينافس مباشرة زمن تأكيد كتلة Bitcoin.

لهذا السبب فإن التهديد الذي تشكله الحواسيب الكمية على تشفير blockchain هو ما يجعل الناس قلقين حقًا.

ما الذي ستبدو عليه هجمات من هذا النوع خطوة بخطوة، وما الذي غيّرته ورقة Google تحديدًا، وما الذي يعنيه ذلك بالنسبة لـ 6,9 مليون Bitcoin التي تم كشفها — ستكون موضوع الجزء التالي من هذه السلسلة.