Ostatnio pisaliśmy o znaczącym postępie w budowie komputerów kwantowych na przykładzie Willow, kwantowego procesoru Googla, który pozwala na zwiększenie liczby kubitów przy jednoczesnym wykładniczym zmniejszeniu liczby błędów, co stanowiło największy problem w rozwoju tej technologii. Teraz należy zadać pytanie, czy przy dalszym tak dynamicznym rozwoju prac nad komputerami kwantowymi, zabezpieczenia technologii blockchain i oparte na nich kryptowaluty będą trwałe.

Główne mechanizmy kryptograficzne stosowane w bitcoinie to kryptografia klucza publicznego (PKC) i hash funkcje.

Bitcoin korzysta z algorytmu ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) w celu generowania podpisów cyfrowych. Każda transakcja jest podpisywana kluczem prywatnym, a klucz publiczny pozwala na weryfikację autentyczności podpisu bez ujawniania klucza prywatnego. Z kolei hash funkcja SHA-256 jest wykorzystywana w procesie tworzenia bloków oraz do generowania adresów bitcoinowych. Zapewnia ona jednokierunkowość (czyli niemożliwość odtworzenia oryginalnych danych na podstawie ich hashu) oraz wysoki poziom kolizyjnej odporności (małe prawdopodobieństwo znalezienia dwóch danych o tym samym hashu).

Komputery klasyczne operują na bitach, które mogą przyjmować wartości 0 lub 1. Komputery kwantowe z kolei opierają się na kubitach, które mogą znajdować się w stanie superpozycji, co oznacza, że mogą jednocześnie przyjmować wartości 0 i 1.

Dzięki temu komputery kwantowe mogą wykonywać wiele obliczeń równocześnie. Kolejną kluczową cechą komputerów kwantowych jest splątanie kwantowe, które pozwala na powiązanie stanu dwóch kubitów w taki sposób, że zmiana stanu jednego z nich wpływa natychmiast na stan drugiego, niezależnie od odległości między nimi. Te cechy pozwalają na zastosowanie algorytmów kwantowych, takich jak algorytm Shora i Grovera, które mogą rozwiązywać problemy kryptograficzne w sposób znacznie szybszy niż tradycyjne algorytmy. Algorytm Shora jest jednym z najbardziej znanych algorytmów kwantowych. Umożliwia on efektywne faktoryzowanie liczb na czynniki pierwsze oraz rozwiązywanie problemu logarytmu dyskretnego.

Ponieważ kryptografia klucza publicznego w bitcoinie opiera się na problemie logarytmu dyskretnego na krzywych eliptycznych, algorytm Shora może potencjalnie złamać zabezpieczenia klucza publicznego.

Przykładowo, w obecnym systemie bitcoin, osoba posiadająca klucz publiczny (który jest publicznie dostępny) nie może wyliczyć klucza prywatnego, ponieważ wymagałoby to gigantycznej liczby obliczeń. Jednak komputer kwantowy mógłby rozwiązać ten problem w czasie wielokrotnie krótszym, co oznaczałoby, że osoba mogłaby uzyskać dostęp do cudzych bitcoinów. Algorytm Grovera pozwala za to na znacznie szybsze przeszukiwanie przestrzeni rozwiązań. W kontekście funkcji hash, mógłby on zmniejszyć liczbę operacji potrzebnych do znalezienia kolizji (czyli dwóch różnych wejść, które dają ten sam hash). Zamiast wymagać 2⁵⁶ operacji (jak w przypadku SHA-256), komputer kwantowy potrzebowałby około 2²⁸ operacji. Choć jest to znaczna poprawa, to nadal wymagałoby ogromnej mocy obliczeniowej, co jest poza zasięgiem obecnych komputerów kwantowych. Obecnie rozwój komputerów kwantowych jest jeszcze w fazie początkowej. Najbardziej zaawansowane komputery kwantowe dysponują kilkudziesięcioma lub kilkuset kubitami, co jest niewystarczające do złamania zabezpieczeń bitcoina.

Szacuje się, że do złamania klucza publicznego opartego na ECDSA potrzebny byłby komputer kwantowy z kilkuset tysiącami stabilnych kubitów.

Ponadto blockchain bitcoina jest odporny na wiele rodzajów ataków, ponieważ każda transakcja jest zabezpieczona poprzez wiele węzłów. Aby skutecznie przeprowadzić atak na cały system, komputer kwantowy musiałby również być w stanie zaatakować sam blockchain, co wymagałoby kontrolowania większości sieci (atak 51%), co jest praktycznie niemożliwe w obecnym stanie technologii. W odpowiedzi na rozwój komputerów kwantowych, naukowcy pracują nad kryptografią postkwantową, czyli algorytmami odpornymi na ataki kwantowe. Przykładowe podejścia obejmują kryptografię opartą na kratkach, funkcjach hash oraz kodach korekcji błędów. W przyszłości bitcoin może zaktualizować swoje protokoły, aby były odporne na ataki kwantowe.