คำอธิบายแบบง่ายๆ ว่าการประมวลผลแบบควอนตัมคืออะไรกันแน่ และเหตุใดจึงน่ากลัวสำหรับบิตคอยน์

สัปดาห์นี้ Google ได้เผยแพร่บทความที่อธิบายว่าเครื่องคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถคำนวณเพื่อหา private key ของ bitcoin ได้ในเชิงทฤษฎีภายใน 9 นาที ซึ่งมีผลกระทบที่ลามไปไกลถึง Ethereum โทเค็นอื่น ๆ ธนาคารเอกชน และอาจถึงทุกสิ่งในโลก

การประมวลผลแบบควอนตัมอาจเข้าใจผิดได้ว่าเป็นเวอร์ชันที่เร็วกว่า ของคอมพิวเตอร์ทั่วไป แต่แท้จริงแล้วมันไม่ใช่ชิปที่ทรงพลังขึ้น หรือเป็นเซิร์ฟเวอร์ฟาร์มที่ใหญ่ขึ้น มันคือเครื่องจักรคนละประเภทกันโดยสิ้นเชิง ต่างกันแม้กระทั่งในระดับของอะตอมเอง

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเริ่มต้นด้วยลูปโลหะที่เย็นจัดและมีขนาดเล็กมาก ซึ่งอนุภาคเริ่มมีพฤติกรรมแบบที่ไม่เกิดภายใต้สภาวะปกติบนโลก ในแบบที่เปลี่ยนสิ่งที่เราคิดว่าเป็นกฎพื้นฐานของฟิสิกส์

การเข้าใจว่ามันหมายถึงอะไรทางกายภาพ คือความแตกต่างระหว่างการอ่านเรื่องภัยคุกคามควอนตัม กับการทำความเข้าใจมันอย่างแท้จริง

วิธีการทำงานของคอมพิวเตอร์ และคอมพิวเตอร์ควอนตัม

คอมพิวเตอร์ทั่วไปจัดเก็บข้อมูลเป็นบิต — แต่ละบิตเป็นได้ทั้ง 0 หรือ 1 บิตคือสวิตช์ขนาดเล็กมาก ทางกายภาพ มันคือทรานซิสเตอร์บน “ชิป” — เกตขนาดจิ๋วที่ปล่อยให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน (1) หรือไม่ปล่อย (0)

ภาพถ่ายทุกภาพ การทำธุรกรรม bitcoin ทุกครั้ง คำทุกคำที่คุณเคยพิมพ์ ล้วนถูกเก็บอยู่ในรูปแบบของสวิตช์เหล่านี้ที่เปิดหรือปิด ไม่มีอะไรลึกลับเกี่ยวกับบิต มันเป็นวัตถุทางกายภาพที่อยู่ในหนึ่งในสองสถานะที่แน่นอน

การคำนวณทุกอย่างก็คือการสับเปลี่ยนค่า 0 และ 1 เหล่านี้ไปรอบ ๆ อย่างรวดเร็วมาก ชิปสมัยใหม่ทำได้หลายพันล้านครั้งต่อวินาที แต่ถึงอย่างนั้นมันก็ยังทำทีละอย่าง เรียงตามลำดับ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้สิ่งที่เรียกว่า qubits แทนบิต Qubit หนึ่งตัวสามารถเป็น 0, 1 หรือ — และนี่คือส่วนที่แปลกประหลาด — ทั้งคู่พร้อมกันในเวลาเดียวกัน!

สิ่งนี้เป็นไปได้เพราะ qubit คือวัตถุทางกายภาพอีกประเภทหนึ่งโดยสิ้นเชิง รุ่นที่พบบ่อยที่สุด และที่ Google ใช้ คือ ลูปโลหะตัวนำยิ่งยวดขนาดเล็กที่ถูกทำให้เย็นลงจนราว ๆ 0.015 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ เย็นกว่าพื้นที่ว่างในอวกาศ แต่กลับเย็นแบบนั้นบนโลกนี้

ที่อุณหภูมินี้ กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านลูปโดยปราศจากความต้านทาน และกล่าวกันว่ากระแสนั้นอยู่ในสถานะเชิงควอนตัม

ในลูปตัวนำยิ่งยวด กระแสสามารถไหลตามเข็มนาฬิกา (เรียก 0) หรือทวนเข็มนาฬิกา (เรียก 1) แต่ในระดับควอนตัม กระแสไม่จำเป็นต้องเลือกทิศทางใดทิศทางหนึ่ง และมันไหลได้ทั้งสองทิศพร้อมกันในเวลาเดียวกัน

อย่าเข้าใจผิดว่าเป็นการสลับระหว่างสองอย่างนั้นแบบเร็วมาก กระแสถูกวัดได้ ทดลองได้ และยืนยันได้ว่ามันอยู่ในทั้งสองสถานะพร้อมกันในเวลาเดียวกัน

(CoinDesk)

ฟิสิกส์ที่ทำให้มึนงง

มาถึงตรงนี้กับเราไหม? ดีมาก เพราะนี่แหละคือจุดที่มันเริ่มแปลกประหลาดอย่างแท้จริง เพราะฟิสิกส์เบื้องหลังมันไม่ได้เข้าใจได้ทันที และก็ไม่ควรจะเข้าใจได้ง่าย

ทุกสิ่งที่คนเราไปเกี่ยวข้องด้วยในชีวิตประจำวันอยู่ภายใต้ฟิสิกส์แบบคลาสสิก ซึ่งสมมติว่าสิ่งต่าง ๆ อยู่ในที่แห่งหนึ่ง ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง แต่อนุภาคไม่ได้ประพฤติตัวแบบนั้นในระดับใต้อะตอม

อิเล็กตรอนไม่มีตำแหน่งที่ชัดเจนจนกว่าคุณจะมองมัน โฟตอนไม่มีสภาพการโพลาไรซ์ที่ชัดเจนจนกว่าคุณจะวัดมัน กระแสในลูปตัวนำยิ่งยวดก็จะไม่ไหลไปในทิศทางที่ชัดเจนจนกว่าคุณจะบังคับให้มันเลือก

เหตุผลที่เราไม่ประสบสิ่งนี้ในชีวิตประจำวันคือเดโคฮีเรนซ์ เมื่อระบบควอนตัมมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อม—โมเลกุลของอากาศ ความร้อน การสั่นสะเทือน และแสง—สถานะซ้อนทับจะยุบตัวแทบจะทันที

ฟุตบอลไม่สามารถอยู่ได้สองที่พร้อมกัน เพราะมันมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลของอากาศหลายล้านล้านชิ้น ฝุ่น เสียง ความร้อน แรงโน้มถ่วง ฯลฯ ทุก ๆ เสี้ยววินาทีระดับนาโน แต่ถ้าแยกกระแสไฟฟ้าขนาดจิ๋วออกมาในสุญญากาศใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ป้องกันจากสิ่งรบกวนที่เป็นไปได้ทั้งหมด และพฤติกรรมควอนตัมจะคงอยู่ได้นานพอที่จะใช้ในการคำนวณ

นั่นแหละคือเหตุผลที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสร้างได้ยากมาก ผู้คนกำลังออกแบบสภาพแวดล้อมทางกายภาพที่กักกันกฎฟิสิกส์ซึ่งปกติจะขัดขวางไม่ให้เรื่องแบบนี้เกิดขึ้น—เอาไว้ให้นานพอเพียงจะรันการคำนวณ

เครื่องจักรของ Google ทำงานในตู้เย็นแบบเจือจาง (dilution refrigerators) ที่มีขนาดเท่าห้องขนาดใหญ่ เย็นกว่าสิ่งใดก็ตามในจักรวาลธรรมชาติ้อมล้อมด้วยชั้นการป้องกันหลายชั้นต่อเสียงรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า การสั่นสะเทือน และรังสีความร้อน

และถึงกระนั้น qubits ก็ยังเปราะบาง มาก พวกมันสูญเสียสถานะควอนตัมตลอดเวลา นั่นจึงทำให้ “การแก้ไขข้อผิดพลาด” ครอบงำการสนทนาทุกเรื่องเกี่ยวกับการขยายขนาด

ดังนั้นการประมวลผลแบบควอนตัมไม่ใช่เวอร์ชันที่เร็วกว่า ของการประมวลผลแบบคลาสสิก มันคือการใช้ประโยชน์จากชุดกฎฟิสิกส์ที่แตกต่างออกไป ซึ่งใช้ได้เฉพาะในสเกลที่เล็กมาก อุณหภูมิที่ต่ำมาก และช่วงเวลาที่สั้นมากเท่านั้น

(CoinDesk)

ทีนี้มาลองจัดวางภาพแบบนั้นดู

บิตปกติสองบิตสามารถอยู่ได้หนึ่งในสี่สถานะ (00, 01, 10, 11) แต่เป็นได้แค่สถานะเดียวในเวลาเดียว (เพราะกระแสไหลได้เพียงทิศทางเดียว) qubit สองตัวสามารถแทนสถานะทั้งสี่ได้พร้อมกัน เพราะกระแสไหลอยู่ในทุกทิศทางในเวลาเดียวกัน

qubits สามตัวแทนแปดสถานะ qubits สิบตัวแทน 1,024 qubits ห้าสิบตัวแทนมากกว่าหนึ่งควอดริลเลียน จำนวนจะเพิ่มเป็นสองเท่ากับทุก qubit ที่ถูกเติมเข้ามา นั่นจึงทำให้การขยายขนาดเป็นแบบทวีคูณ

กลวิธีที่สองคือสิ่งที่เรียกว่า entanglement เมื่อ qubits สองตัวอยู่ในสถานะพัวพันกัน การวัดหนึ่งตัวจะบอกผู้สังเกตทันทีบางสิ่งเกี่ยวกับอีกตัว โดยไม่ว่าพวกมันจะอยู่ห่างกันแค่ไหน สิ่งนี้ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมประสานงานผ่านสถานะพร้อมกันเหล่านั้นในแบบที่การประมวลผลแบบขนานทั่วไปทำไม่ได้

และคอมพิวเตอร์ควอนตัมเหล่านี้ถูกตั้งค่าให้คำตอบที่ผิดมาหักล้างกันเอง (เหมือนคลื่นที่ทับซ้อนจนแบนราบ) และคำตอบที่ถูกจะเสริมกัน (เหมือนคลื่นที่ซ้อนสูงขึ้น) เมื่อสิ้นสุดการคำนวณ คำตอบที่ถูกต้องจะมีโอกาสสูงที่สุดที่จะถูกวัดได้

ดังนั้นมันไม่ใช่ความเร็วแบบใช้แรงดุร้าย มันคือแนวทางที่แตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิงต่อการคำนวณ — แนวทางที่ทำให้ธรรมชาติสำรวจพื้นที่ความเป็นไปได้ที่ใหญ่โตแบบทวีคูณ และจากนั้นให้มันยุบลงสู่คำตอบที่ถูกต้องด้วยฟิสิกส์ ไม่ใช่ด้วยตรรกะ

ภัยคุกคามครั้งใหญ่ต่อการเข้ารหัส

ฟิสิกส์แบบทำให้งงงวยนี้เองคือเหตุผลที่มันน่ากลัวสำหรับการเข้ารหัส

คณิตศาสตร์ที่ปกป้อง bitcoin อาศัยสมมติฐานที่ว่าการตรวจสอบคีย์ทุกความเป็นไปได้จะใช้เวลานานกว่าระยะเวลาของอายุจักรวาล

แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้ตรวจสอบคีย์ทุกตัว มันสำรวจคีย์ทั้งหมดพร้อมกัน และใช้การแทรกสอดเพื่อดึงคำตอบที่ถูกต้องขึ้นมา

ตรงนี้เองที่มันเชื่อมกับ Bitcoin จากทางหนึ่ง จาก private key ไปเป็น public key ใช้เวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาที แต่ถ้ากลับทิศ จาก public key ไปหา private key จะใช้เวลาสำหรับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกถึง 1 ล้านปี หรืออาจนานกว่าระยะเวลาของอายุจักรวาลเสียอีก ความไม่สมมาตรนั้นเองคือสิ่งเดียวที่พิสูจน์ว่าคนคนหนึ่งกำลังถือเหรียญของตนอยู่

(CoinDesk)

คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่รันอัลกอริทึมที่เรียกว่า Shor สามารถย้อนผ่าน “ประตูดัก” นั้นกลับไปได้ บทความของ Google ในสัปดาห์นี้แสดงให้เห็นว่ามันทำได้ด้วยทรัพยากรที่น้อยกว่าที่เคยมีการประเมินไว้มาก และภายในกรอบเวลาที่แซงไปกับการยืนยันบล็อกของ bitcoin เอง

นี่คือเหตุผลที่ภัยคุกคามจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำลายการเข้ารหัสของ blockchain กำลังทำให้ทุกคนกังวลอย่างแท้จริง

วิธีการโจมตีทำงานทีละขั้นตอน สิ่งที่บทความของ Google เปลี่ยนแปลงโดยเฉพาะ และความหมายต่อ bitcoin 6.9 ล้านเหรียญที่ถูกเปิดเผยแล้ว นั้น เป็นหัวข้อของบทความถัดไปในซีรีส์นี้