Квантовый блокчейн: как открытия физиков произведут революцию в IT

Создатель первого квантового блокчейна Алексей Федоров рассказал о том, кого может заинтересовать подобное объединение инноваций в IT и физике и как квантовые технологии поменяют весь цифровой мир. 

Идея распределенных реестров — баз данных, копии которых хранятся и обновляются сразу у нескольких независимых пользователей, появилась достаточно давно, около 30 лет назад. Несмотря на перспективность этой идеи, массовый интерес к ней возник относительно недавно, в 2008 году, когда была создана первая криптовалюта на ее основе, биткоин.

Прорывной идеей в области распределенных реестров стал блокчейн — способ хранения информации о совершенных транзакциях в виде последовательности блоков, следующих друг за другом.

Ключ к корректной работе блокчейна — обеспечение целостности базы данных у всех независимых пользователей. Иными словами, каждый участник сети должен быть уверен, что его версия реестра совпадает с версиями остальных пользователей, у каждого есть собственная копия таблицы проведенных операций и ни один другой человек не сможет распоряжаться его ресурсами внутри этой базы данных.

Для решения этих вопросов программисты используют криптографические хэш-функции, электронно–цифровые подписи и прочие математические приемы, затрудняющие подделку и взлом этого реестра.

Сегодня считается, что такие криптографические алгоритмы неуязвимы для атак при помощи обычных компьютеров, однако быстрое развитие квантовых вычислений может лишить их этой "суперспособности". Тогда существующие блокчейны уже не смогут обеспечить защиту финансовых сведений и других данных.

Летом прошлого года Алексей Федоров и его коллеги из Российского квантового центра — группа Юрия Курочкина и Александра Львовского — впервые предложили решение этой проблемы, соединив две набирающие популярность технологии: блокчейн и квантовую криптографию.

— Алексей, помимо очевидного интереса со стороны банковского и финансового секторов, где еще можно использовать подобные квантово-защищенные блокчейны и где их применение было бы целесообразным?

— Квантовые технологии традиционно привлекают внимание финансовых организаций — не только в России, по всему миру. Это очень хорошо, что именно банки становятся своеобразными тестовыми площадками для нас.

Что может быть дальше? Как мне кажется, квантовые блокчейны и близкие к ним разработки пригодятся в государственной сфере — в направлениях, стратегически важных с точки зрения информационной безопасности.

Об их массовом коммерческом применении пока говорить сложно, поскольку этому мешают ограничения, накладываемые самой технологией квантового блокчейна, и отсутствие необходимой для нее инфраструктуры в виде квантовых сетей.

Сначала необходимо создать квантовый интернет — глобальную многопользовательскую сеть, защищенную квантовой криптографией, а это потребует много времени и ресурсов. Поэтому вряд ли конечные пользователи смогут воспользоваться квантовым блокчейном в обозримом будущем.

Как и всегда, возникает вопрос о целесообразности: нужна ли столь защищенная система обычному пользователю? С одной стороны, кажется, что сейчас она не нужна. С другой стороны, каждый раз, когда я так говорю, вспоминаю прогноз Томаса Уотсона, президента IBM, считавшего, что мировому рынку потребуется не больше пяти компьютеров.

Создание квантового интернета требует огромных ресурсов, но гарантирует абсолютный уровень защиты. С развитием технологий квантовый интернет вполне может стать такой же естественной частью нашей жизни, как нынешний.

Полагаю, наше предложение важно не только само по себе, но еще и потому, что оно привлекло внимание публики и научного сообщества к новым информационным технологиям, таким как блокчейн, и к тем проблемам безопасности, которые неразрывно с ними связаны.

Множество людей пытается сегодня внедрить блокчейны в нашу жизнь, не уделяя достаточного внимания проблемам безопасности. Собственно, любой человек, знакомый с квантовыми вычислениями и безопасностью, мог бы найти эту уязвимость в работе блокчейнов, объяснить ее и предложить решение. Этого почему-то никто не сделал, и мы были первыми, кому удалось это реализовать.

Что интересно, почти все крупные квантовые сети, уже существующие в мире, можно использовать подобным образом, хотя никто об этом и не думал раньше. Так они принесут больше пользы, чем если мы просто будем шифровать абсолютно все, что через них передается.

— Помимо самих квантовых каналов и технологий передачи данных, в обмене ими участвуют и люди, и классические компьютеры, не отличающиеся абсолютной стойкостью к взлому. Можно ли как-то ликвидировать эту уязвимость?

— Полностью избавиться от этой проблемы не получится, однако мне кажется, что можно сделать задачу написания вируса или организации фишинга настолько сложной, что подобные занятия станут коммерчески неинтересными. Это, на мой взгляд, наиболее рациональный подход — сделать зло невыгодным для злоумышленника. Часть этой задачи можно решить посредством криптографии.

С другой стороны, есть такая вещь, как социальная инженерия, с которой бороться гораздо сложнее. Конечно, можно создать систему искусственного интеллекта, подсказывающую пользователям, как защититься от подобных атак, однако в данном случае мы сталкиваемся не только с математической проблемой, но и с реальной жизнью.

Технологии квантовой защиты здесь, к сожалению, сейчас не помогут, так как они нацелены на решение одной конкретной, совсем другой задачи.

— Помогут ли спутники, подобные недавно запущенному "Мо–Цзы", распространению квантовых блокчейнов и расширению их практического применения?

— По сути, это следующий шаг в развитии подобных технологий. Сегодня существуют небольшие сети, использующие оптоволоконные кабели и состоящие из двух-пяти узлов, средние и большие сети из десятков и сотен узлов, а затем должен появиться глобальный квантовый интернет.

Спутники критически важны для его создания — без них межконтинентальные системы связи крайне сложно реализовать.
С другой стороны, из-за спутников возникает проблема доверия, доверенных узлов сети. Кто и как их контролирует — это тоже вопрос безопасности, для обеспечения которой необходим еще один уровень защиты.

— Попытается ли кто-нибудь взломать подобные квантовые блокчейны?

— Здесь та же ситуация, что и с квантовой криптографией: если рассматривать их как идеализированные математические концепции, то взламывать таковые нет смысла. Однако конкретная инженерная реализация этих идей необязательно будет абсолютно неуязвимой для взлома — к примеру, можно ослепить детекторы.

Иными словами, нельзя взять какую-то идеальную концепцию, поместить ее в реальный мир и ожидать, что она останется такой же неприступной. Всегда есть какие-то бэкдоры и дыры — любой специалист по безопасности скажет, что даже в самой идеальной системе защиты данных имеется как минимум одна уязвимость.

Поэтому, как мне кажется, кто-нибудь обязательно попытается взломать блокчейн. Хотя интереснее было бы найти альтернативу. К примеру, есть такая вещь, как квантовые цифровые подписи, — я бы задумался, можно ли использовать их вместо обычных подписей или квантовой криптографии и обеспечит ли это достаточный уровень безопасности.

Реализация этой идеи, к примеру, позволила бы "внешним" пользователям работать с блокчейном, не имея прямого доступа к квантовой сети, через которую происходит обмен данными в нашей системе сейчас. В отличие от технологий шифрования и связи, квантовые электронные подписи появились совсем недавно, инфраструктуры для их использования пока нет. Поэтому тут сложно приводить какие-то конкретные примеры и давать прогнозы.

— Повлияло ли создание квантового блокчейна на скорость разработки алгоритмов шифрования данных, стойких к квантовым компьютерам?

— Хотелось бы думать, что да — если привлечь внимание общественности к каким-либо проблемам, они, как правило, начинают решаться быстрее. Я, конечно, видел несколько попыток разобраться в этом до публикации нашего исследования, но все они не были достаточно серьезными.

После выхода нашей работы внезапно опубликовали еще пять-шесть статей, посвященных тому, как можно защитить биткоин, насколько вероятен взлом его блокчейна и так далее.

Технологии развиваются, и сейчас блокчейн-сообщество, в том числе и Etherium, внимательно присматривается к тому, что может предложить квантовая криптография и алгоритмы защиты данных, стойкие к квантовому взлому.

— Сегодня большая часть квантовых сетей и систем передачи данных создается на базе уже существующей инфраструктуры, изначально не приспособленной для решения таких задач. Что оптимальнее для развития квантовых сетей и блокчейнов?

— На самом деле, нужно и то и другое. Можно привести следующую аналогию — практически у каждого из нас есть компьютер, и мы периодически меняем его на более современную модель. Пока он справляется со своей задачей, брать новый смысла нет.

Аналогичным образом — когда люди увидят, что защищенная сеть работает в десять раз быстрее, если поставить новый оптоволоконный кабель, и в этом будет потребность, тогда инфраструктуру обновят.

К примеру, в эксперименте со Сбербанком нам выделили оптоволоконный канал длиной в 25 километров, состоявший из восьми спаек. Каждая такая спайка отражает часть фотонов назад и создает другие помехи. Если бы это оптоволокно было качественным и не состояло из отдельных кусков, такой уровень потерь наблюдался бы на канале длиной не в 25, а 75 километров. Качество линии очень влияет на скорость распределения ключей. 

При этом надо понимать, что устройство, которое получало квантовые ключи, могло считывать их лишь раз в четыре минуты, поэтому даже такого канала нам хватало с избытком. Мы могли бы, в принципе, подключить еще несколько передатчиков и приемников, если бы возникла такая необходимость.

В общем, если говорить, что данные — это новая нефть, то надо строить не только новые трубопроводы, но и улучшать старые, если это требуется для нефтехранилищ, и делать их безопасными настолько, насколько это возможно.

— В прошлом году ученые активно обсуждали возможность использования квантовых вычислительных систем для обучения систем ИИ и создания нейросетей. Насколько это реалистично?

— Эту идею очень серьезно изучает и рассматривает группа Джейкоба Биамонте из "Сколтеха" в рамках проекта Quantum Complexity Science Initiative. На самом деле, подобных приложений у квантовых компьютеров может быть масса, и поэтому здесь нам стоит сначала определиться с тем, что мы имеем в виду под терминами "искусственный интеллект" и его обучение.

© Фото : RQC
Российские физики объединили банки первой рабочей линией квантовой связи
К примеру, квантовые алгоритмы можно применять для того, чтобы ускорять математические процедуры, задействованные в работе систем машинного обучения. Кроме того, квантовые системы реально использовать для решения задач оптимизации и множеством других способов.

Интересно также, что математические структуры, возникающие в нейронных сетях, иногда бывают полезны для описания некоторых квантовых физических систем, содержащих в себе множество частиц, которые интересны уже ученым, а не программистам. В общем, внимание к нейросетям со всех сторон говорит о том, что у них очень большой потенциал.

Лично мне кажется, что подобные системы ИИ можно использовать для демонстрации так называемого квантового превосходства. Доказательства того, что квантовые вычислительные системы способны решать те задачи, которые обычным компьютерам не под силу.

Конечно, есть и другие варианты проверки "превосходства" квантовых компьютеров, однако они или бесполезны с практической точки зрения, или же слишком сложны для реализации с учетом ограничений существующих систем. Квантовое обучение нейросетей не потребует столь больших ресурсов и при этом принесет нам что-то, что в будущем даст конкретную пользу.


В общем, будущие или уже существующие системы из 50 или 60 кубитов, такие как программируемый квантовый симулятор Михаила Лукина, позволят нам решать интересные и практически значимые задачи.

В этом плане очень умно поступает компания IBM, создавшая первое облако квантовых вычислений. Они коллекционируют запросы, знания и подходы всех людей со всего мира, и это очень ценно и важно на данном этапе развития квантовых вычислительных технологий и квантового ИИ.