Một bài viết giải thích chi tiết về máy tính lượng tử và chuỗi khối
Tuyển chọn TechFlowTuyển chọn TechFlow
Một bài viết giải thích chi tiết về máy tính lượng tử và chuỗi khối
Tương lai của điện toán lượng tử và blockchain cực kỳ bất định — có thể là một trong những yếu tố quyết định tương lai của khoa học máy tính.
Chuyên sâu báo cáo Web3Tác giả: Suzytu
Máy tính lượng tử sẽ phá vỡ blockchain hay khiến nó an toàn hơn?
Khi nói đến tương lai của điện toán, blockchain và máy tính lượng tử là hai lĩnh vực hấp dẫn và gây tranh cãi nhất. Mặc dù blockchain tiên tiến hơn nhiều trong ứng dụng thực tế — bao gồm việc tạo ra tiền mã hóa và mật mã học mà cá nhân và doanh nghiệp đều có thể sử dụng — ngành công nghiệp máy tính lượng tử cũng đang phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc. Thực tế, tốc độ tăng trưởng của ngành máy tính lượng tử có thể chỉ xếp sau blockchain, dự kiến sẽ tăng trưởng trung bình 25% mỗi năm từ năm 2022 đến năm 2027.
Một số chuyên gia cho rằng sự tiến bộ của máy tính lượng tử có thể là khởi đầu cho sự sụp đổ của blockchain; vì máy tính lượng tử thậm chí có thể giải mã các hệ thống mã hóa tiên tiến nhất hiện nay. Hoặc, máy tính lượng tử ở một số khía cạnh có thể thay thế blockchain như một phương pháp tiên tiến hơn để bảo vệ dữ liệu trong tương lai.
Ở một mức độ nào đó, mã hóa blockchain và máy tính lượng tử đang bị cuốn vào một cuộc đua để xác định ai sẽ chiến thắng trong lĩnh vực mật mã học. Câu hỏi then chốt có lẽ là liệu máy tính lượng tử có phát triển đủ nhanh để phá vỡ blockchain hay không. Câu trả lời sẽ phụ thuộc vào việc các nhà mật mã học có phát triển được các giải pháp bảo mật đủ nhanh để tự bảo vệ khỏi các hacker lượng tử hay không.
Tuy nhiên, mối quan hệ giữa máy tính lượng tử và blockchain không nhất thiết phải đối kháng; một số nhà nghiên cứu tin rằng cuối cùng công nghệ máy tính lượng tử và blockchain sẽ hợp nhất. Điều này có thể tạo ra các giải pháp điện toán an toàn hơn, nhanh hơn và mang tính cách mạng tiềm tàng, cuối cùng có thể giúp giải quyết nhiều vấn đề mã hóa và thực tiễn khác nhau.
Mục lục
1. Máy tính lượng tử là gì — khác biệt với blockchain ra sao?
2. Liệu máy tính lượng tử có phá hủy blockchain và chấm dứt tiền mã hóa?
3. Máy tính lượng tử có thể kết hợp hoặc tăng cường blockchain trong tương lai?
4. Sổ cái chống lượng tử là gì?
5. Bitcoin hậu lượng tử là gì?
6. Tương lai của máy tính lượng tử và blockchain là gì?
Máy tính lượng tử là gì — khác biệt với blockchain ra sao?
Đối với những người chưa quen thuộc, máy tính lượng tử là một dạng điện toán độc đáo, tận dụng "trạng thái lượng tử" để giải quyết các vấn đề logic mà hoặc đòi hỏi khả năng xử lý khổng lồ, hoặc gần như bất khả thi đối với siêu máy tính thông thường. Thay vì phân tích từng vấn đề một như siêu máy tính cổ điển, máy tính lượng tử có thể đồng thời phân tích hàng loạt các tình huống và câu trả lời tiềm năng. Những máy tính này sử dụng sức mạnh của vật lý lượng tử để giảm thiểu số lượng đáp án sai một cách nhanh chóng, đồng thời cực kỳ hiệu quả trong việc xác định đáp án đúng.
Máy tính hiện tại thường được gọi là máy tính cổ điển, được cấu thành từ các bit là 1 hoặc 0, nhưng không phải cả hai cùng lúc.Máy tính lượng tử không được tạo thành từ bit mà từ qubit, nhờ khái niệm gọi là chồng chập lượng tử, cho phép các bit này tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái. Ngoài ra, khác với bit cổ điển, các qubit có thể ảnh hưởng lẫn nhau qua một quá trình gọi là rối lượng tử, tạo nên một trạng thái lượng tử lớn cho toàn bộ hệ thống tính toán. Mỗi khi thêm một qubit, số lượng trạng thái tiềm năng của máy tính lại tăng gấp đôi, mang lại sức mạnh tính toán vượt trội so với máy tính cổ điển.
Ngoài việc giải quyết các bài toán phức tạp cao độ, máy tính lượng tử còn có tiềm năng to lớn trong việc thay đổi thế giới mã hóa. Do bản chất của vật lý lượng tử và trạng thái lượng tử, trạng thái của một thông tin cụ thể thực tế sẽ thay đổi khi bị quan sát. Vì vậy, về lý thuyết, mã hóa lượng tử có thể thực sự không thể phá vỡ, bởi bất kỳ ai (hoặc bất kỳ máy móc nào) ngoài bên nhận dự kiến mà xem thông tin thì trạng thái đó sẽ thay đổi một cách không thể đảo ngược. Tuy nhiên, giống như máy tính lượng tử có thể tạo ra các kỹ thuật mã hóa mạnh mẽ, nó cũng có khả năng phá vỡ các hình thức mã hóa trước đây được coi là bất khả xâm phạm, điều này tạo ra mâu thuẫn tiềm tàng với mục đích toàn diện của blockchain.
Các công ty như IBM hiện đang sử dụng máy tính lượng tử để giải quyết nhiều vấn đề khác nhau, ví dụ như phát triển pin mật độ năng lượng cao hơn cho xe điện, tạo ra vật liệu mới giúp giảm phát thải carbon, thậm chí tìm kiếm các hạt có thể tiết lộ nguồn gốc vũ trụ.
So với máy tính lượng tử, blockchain có thể được mô tả như một tập hợp các công nghệ sổ cái phân tán, sử dụng mật mã học để tạo ra một cuốn sổ ghi thông tin, một khi đã được xác thực bởi một chuỗi các máy tính phân tán (gọi là nút) thì không thể thay đổi hiệu quả. Thông qua các cơ chế đồng thuận khác nhau, mạng lưới các nút phân tán đồng ý hoặc không đồng ý để "xác thực" một khối thông tin và thêm nó vào blockchain. Blockchain hoàn toàn thuộc về lĩnh vực điện toán cổ điển, nghĩa là tại một thời điểm, blockchain chỉ tồn tại ở một trạng thái duy nhất.
Như giới công nghiệp đã chứng minh, công nghệ blockchain là một công cụ xuất sắc để tạo ra các ứng dụng phân tán thông qua hợp đồng thông minh tự động thực thi, bao gồm tiền tệ kỹ thuật số, giao thức logistics và lưu trữ hồ sơ, cũng như nhiều sản phẩm tài chính khác. Bao gồm cho vay, staking, khai thác thanh khoản, thậm chí cả các giao thức bảo hiểm phân tán.
Tuy nhiên, do hạn chế của mạng lưới, blockchain không nhất thiết giỏi giải quyết các vấn đề yêu cầu khả năng xử lý tính toán ở mức cao. Trên thực tế, tốc độ giao dịch chậm là một trong những vấn đề lớn nhất hiện nay trên blockchain, các blockchain mới đang chạy đua để cung cấp các giải pháp có thể hoạt động với lượng giao dịch mỗi giây (TPS) cao hơn. Ngược lại, máy tính lượng tử có tiềm năng to lớn trong việc giải quyết các bài toán khoa học và công nghệ lớn và khó khăn nhất, nhưng nó không nhất thiết là một công cụ tốt để tạo ra các ứng dụng tiêu dùng mà người bình thường sử dụng.
Do đó, có thể khẳng định chắc chắn rằng máy tính lượng tử và blockchain là hai công nghệ rất khác biệt, nhưng sự tương tác giữa chúng có thể sẽ mãi mãi thay đổi cả hai ngành này.
Liệu máy tính lượng tử có phá hủy blockchain và chấm dứt tiền mã hóa?
Khi nói đến máy tính lượng tử và blockchain, lo ngại chính là máy tính lượng tử có thể áp đảo mã hóa blockchain — dẫn đến sự chấm dứt của tiền mã hóa an toàn như chúng ta biết.Nếu mã hóa lượng tử có thể áp đảo mật mã học blockchain, ngay cả khi toàn bộ ngành mã hóa không sụp đổ, nó cũng sẽ gây ra vụ trộm tiền mã hóa quy mô lớn và sự hỗn loạn nghiêm trọng.
Một nghiên cứu của Deloitte cho thấy một cuộc tấn công như vậy có thể đánh cắp 25% tổng số Bitcoin. Tính đến tháng 1 năm 2022, con số này lên tới khoảng 300 tỷ USD, và khi quy mô thị trường tiền mã hóa tiếp tục tăng mạnh, các vụ hack mã hóa dựa trên máy tính lượng tử cuối cùng có thể đánh cắp hàng nghìn tỷ USD, có khả năng làm rối loạn nền kinh tế toàn cầu và phá hủy toàn bộ blockchain trong quá trình đó.
Cụ thể, một thuật toán máy tính lý thuyết nổi tiếng gọi là hàm Shor, khi được thực hiện bởi máy tính lượng tử, về mặt lý thuyết có thể giải quyết các thừa số nguyên tố hiện đang được che giấu bởi phép nhân đường cong elliptic. Đây là một dạng phép nhân dùng để băm (hash), (hiện tại) gần như không thể đảo ngược (tức là tìm ra các số ban đầu nhân với nhau để tạo ra khóa riêng).
Ví dụ, các nhà nghiên cứu tính toán rằng máy tính cổ điển cần 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 phép toán cơ bản để xác định khóa riêng liên kết với khóa công khai sử dụng phép nhân đường cong elliptic. Về lý thuyết, điều này có thể mất hàng ngàn năm.
Ngược lại, theo cùng một phép tính, một máy tính lượng tử sử dụng hàm Shor chỉ cần 2.097.152 phép toán cơ bản để xác định khóa riêng liên kết với khóa công khai. So sánh, điều này có thể chỉ mất vài giờ. Tuy nhiên, điều quan trọng là nhận thức được rằng hiện tại các máy tính lượng tử phổ biến vẫn chưa phát triển đủ khả năng để tận dụng hàm Shor, và thời điểm chức năng này được hoàn thiện đầy đủ vẫn chưa rõ ràng.
Ngoài việc phá vỡ mã hóa blockchain, một lo ngại khác là máy tính lượng tử có thể thay thế máy tính truyền thống trong việc đào tiền mã hóa. Về lý thuyết, nếu các máy tính này có thể đào nhanh hơn thiết bị đào truyền thống (như ASIC), điều này có thể dẫn đến sự bất ổn giá tài sản, tấn công 51% và sự tập trung cực đoan quyền lực đào. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng đây chủ yếu là mối quan tâm đối với các blockchain bằng chứng công việc như Bitcoin, và thường không ảnh hưởng đến các mô hình đồng thuận dựa trên bằng chứng cổ phần. Do các vấn đề môi trường và các yếu tố khác, hầu hết các blockchain bằng chứng công việc như Ethereum đang chuyển sang mô hình đồng thuận bằng chứng cổ phần và các mô hình khác không liên quan đến việc đào đòi hỏi tính toán nặng.
Mặc dù có những tính toán và ước lượng này, không phải tất cả các chuyên gia đều tin rằng máy tính lượng tử sẽ có thể hiệu quả trong việc phá vỡ blockchain và khiến mật mã học truyền thống lỗi thời. Ví dụ, một số người cho rằng mã hóa SHA-256 được sử dụng trong Bitcoin có thể chống lượng tử. Ngay cả khi máy tính lượng tử có thể phá vỡ các phương pháp mã hóa blockchain hiện tại, điều đó cũng có thể mất từ 10 đến 20 năm, cho phép các nhà mật mã học blockchain đi trước trong việc phát triển các phương pháp mã hóa mới, mạnh mẽ hơn.
Hơn nữa, RSA — lựa chọn thay thế phổ biến nhất cho mã hóa đường cong elliptic — cũng có thể có một mức độ chống lượng tử nhất định. Mặc dù mã hóa đường cong elliptic được coi là an toàn hơn RSA trong giải mã cổ điển, các chuyên gia gợi ý rằng trong giải mã lượng tử, tình hình có thể ngược lại. Ngoài ra, ngay cả khi RSA cuối cùng trở thành "có thể phá vỡ bởi lượng tử", các soft fork và việc thay đổi địa chỉ ví liên tục cũng có thể làm giảm phần lớn khả năng thực tế của máy tính lượng tử trong việc phá vỡ blockchain hoặc đánh cắp tiền mã hóa.
Máy tính lượng tử có thể kết hợp hoặc tăng cường blockchain trong tương lai?
Mặc dù một số người cho rằng máy tính lượng tử có thể phá hủy blockchain và tiền mã hóa như chúng ta biết, những người khác lại tin rằng mã hóa lượng tử có thể kết hợp với blockchain để tạo ra các blockchain an toàn hơn các giao thức hiện nay. Về lý thuyết, những blockchain này sẽ có khả năng chống lại mạnh mẽ cả các cuộc tấn công hacker truyền thống và các cuộc tấn công từ máy tính lượng tử.
Cụ thể, các chuyên gia cho rằng các phương pháp mật mã học blockchain truyền thống, chẳng hạn như thuật toán khóa bất đối xứng và các hàm băm sử dụng phép nhân đường cong elliptic như trên, có thể được thay thế bằng khóa lượng tử.
Mật mã khóa lượng tử, còn gọi là Phân phối Khóa Lượng tử (QKD), hoạt động bằng cách gửi các "hạt lượng tử" của ánh sáng dưới dạng photon qua các liên kết quang học. Như đã đề cập trước đó, bất kỳ nỗ lực nào của kẻ nghe lén nhằm quan sát các photon đang được truyền tải sẽ vô hiệu hóa giao dịch.
Để thực sự hiệu quả, các khóa lượng tử này cần được sử dụng cùng với mã hóa mật khẩu một lần (OTP), tạo ra các khóa chỉ có thể sử dụng một lần.
Trong một bài báo thú vị đăng trên Tạp chí Máy tính Lượng tử có tựa đề “Blockchain lượng tử: Cơ sở dữ liệu phi tập trung, mã hóa và phân tán dựa trên cơ học lượng tử”, các tác giả Lý Xuân Đường, Từ Dần Tùng, Đường Gia Hạo và Lưu Văn Kiệt đã chi tiết hóa các lợi ích bổ sung mà máy tính lượng tử có thể mang lại cho blockchain trong tương lai; đặc biệt là việc ngẫu nhiên hóa lựa chọn nút, hiện là một vấn đề lớn của blockchain. Giao thức blockchain lượng tử có thể sử dụng bộ tạo số ngẫu nhiên lượng tử để chọn các nút xác thực một cách ngẫu nhiên, thay vì sử dụng các phương pháp ngẫu nhiên hóa hiện tại.
Bài báo lập luận rằng blockchain lượng tử cũng có tiềm năng thay thế giao thức Byzantine cổ điển bằng một giao thức Byzantine lượng tử mới, sử dụng mã hóa lượng tử. Mặc dù vẫn còn rất lý thuyết ở thời điểm này, điều này vừa có thể giúp ngăn chặn các cuộc tấn công 51%, vừa tạo ra các loại tiền mã hóa mới cực kỳ an toàn dựa trên mã hóa lượng tử.
Mặc dù phần lớn nội dung trên đây nói đến việc tạo ra blockchain lượng tử mới, công nghệ lượng tử cũng có tiềm năng được áp dụng cho các blockchain hiện tại, vừa tăng tính phi tập trung, vừa giảm thời gian giao dịch trên các blockchain lớn như Bitcoin, Ethereum và Solana.
Một vấn đề tiềm năng mơ hồ và chưa được đề cập trong bài báo tham khảo là chức năng máy tính lượng tử (bao gồm việc tạo khóa lượng tử) sẽ được phân phối như thế nào qua các nhà vận hành nút. Hiện tại, đa số máy tính lượng tử đều mang tính thử nghiệm cao và cực kỳ đắt đỏ, điều này khiến việc có được lượng lớn nhà vận hành nút cần thiết cho một blockchain thực sự phi tập trung là rất khó. Tuy nhiên, tình hình này có thể thay đổi; một công ty Trung Quốc đã ra mắt một máy tính lượng tử nhỏ gọn với chi phí chỉ 5.000 USD, thấp hơn nhiều so với chi phí hiện tại để vận hành một nút Ethereum đầy đủ.
Sổ cái chống lượng tử là gì?
Cho đến nay, chỉ có hai dự án blockchain công cộng tuyên bố hoàn toàn chống lượng tử, đó là Sổ cái Chống lượng tử (QRL) và Bitcoin Hậu lượng tử.Quantum Resistant Ledger (QRL) tự mô tả mình là “một blockchain an toàn hậu lượng tử với sơ đồ chữ ký trạng thái và mức độ bảo mật chưa từng có”.
Để đạt được điều này, giao thức QRL sử dụng “XMSS được IETF chỉ định, một sơ đồ chữ ký an toàn tiến bộ dựa trên băm, với các giả định bảo mật tối thiểu.” XMSS là viết tắt của Extended Merkle Signature Scheme, tận dụng cây Merkle. Đây là những cấu trúc cây, trong đó mỗi nút được gắn nhãn bằng giá trị băm mật mã của một khối dữ liệu.
Cây Merkle có thể được định nghĩa là “giá trị băm đầy đủ của tất cả các giá trị băm của mọi giao dịch trong một khối duy nhất của mạng blockchain hiện tại”.
Các sơ đồ chữ ký dựa trên trạng thái băm (như chữ ký Merkle) được cho là có khả năng chống lại các cuộc tấn công lượng tử tốt hơn RSA hoặc mật mã học đường cong elliptic. Tuy nhiên, nếu khóa bị sử dụng nhiều lần, các sơ đồ chữ ký dựa trên trạng thái băm như XMSS có thể dễ bị tấn công, điều này thực sự khiến chúng kém ưu thế hơn so với các hình thức mật mã học khác.
Hiện tại, Trung tâm Tài nguyên An ninh Máy tính của Phòng thí nghiệm Công nghệ Thông tin Quốc gia (NIST) đang tích cực kêu gọi nghiên cứu và bình luận về các công nghệ mã hóa này để đánh giá các ưu và nhược điểm tiềm năng trong sử dụng dân sự và chính phủ. Ngoài XMSS, NIST hiện đang đánh giá gần 70 phương pháp mới về “mật mã học hậu lượng tử”.
Sổ cái Chống lượng tử tuyên bố rằng sơ đồ chữ ký Merkle "mở rộng" của nó hiệu quả và an toàn hơn sơ đồ chữ ký Merkle truyền thống, mặc dù điều này rất khó chứng minh nếu chưa có máy tính lượng tử thực sự hiệu quả để kiểm tra.
Ngoài việc phát triển blockchain độc quyền, nhóm này còn phát hành tiền mã hóa riêng (QRL), tính đến tháng 1 năm 2022, giá dưới 0,20 USD, vốn hóa thị trường tổng cộng vừa trên 14 triệu USD. Giống như blockchain mà nó dựa trên, các nhà sáng lập QRL tuyên bố tiền mã hóa này là loại tiền đầu tiên hoàn toàn miễn nhiễm với các cuộc tấn công lượng tử. Như các tiền mã hóa khác, QRL có thể được khai thác từ một nút đơn lẻ hoặc như một phần của nhóm khai thác.
Bitcoin hậu lượng tử là gì?
Ngoài dự án QRL khá nổi bật, một dự án blockchain khác là Bitcoin Post-Quantum (BPQ) cũng tuyên bố sử dụng sơ đồ chữ ký Merkle mở rộng dựa trên trạng thái băm (XMSS) để tự bảo vệ khỏi các cuộc tấn công máy tính lượng tử. Cụ thể,BPQ là một nhánh thử nghiệm của blockchain chính Bitcoin, sử dụng chữ ký số an toàn lượng tử thay vì các công nghệ mã hóa truyền thống hơn. Nghiên cứu do BPQ thực hiện trong vài năm tới có thể trở thành nền tảng để đưa công nghệ mã hóa chống lượng tử vào mạng chính Bitcoin.
Khác với QRL, BPQ hiện đang ở giai đoạn nghiên cứu nhiều hơn, và đồng tiền dự kiến BitcoinPQ hiện chưa được khai thác.
Tương lai của máy tính lượng tử và blockchain là gì?
Tương lai của máy tính lượng tử và blockchain cực kỳ bất định và có thể là một trong những yếu tố quyết định tương lai của khoa học máy tính. Blockchain giúp dân chủ hóa internet, tạo ra tiền mã hóa và hình thành các mạng máy tính phân tán lớn nhất thế giới dưới dạng các blockchain phổ biến như Bitcoin và Ethereum.
Ngược lại, máy tính lượng tử vẫn đang ở giai đoạn đầu, có tiềm năng giúp giải quyết nhiều vấn đề khoa học và công nghệ có ảnh hưởng lớn nhất trong thời đại chúng ta, thúc đẩy công nghệ theo những cách mà chúng ta không thể lường trước. Nếu máy tính lượng tử và blockchain xảy ra xung đột, đó có thể là một thảm họa mang tính sử thi. Tuy nhiên, nếu mật mã học tiếp tục phát triển để tạo ra ngày càng nhiều phương pháp mã hóa chống lượng tử, hoặc nếu chính bản thân mã hóa lượng tử được tích hợp vào blockchain, thì sự kết hợp của các công nghệ đầy hứa hẹn này sẽ góp phần tạo ra một internet an toàn hơn, dân chủ hơn và có khả năng tác động tích cực đến thế giới.
Chào mừng tham gia cộng đồng chính thức TechFlow
Nhóm Telegram:https://t.me/TechFlowDaily
Tài khoản Twitter chính thức:https://x.com/TechFlowPost
Tài khoản Twitter tiếng Anh:https://x.com/BlockFlow_News
