آیا رایانه‌های کوانتومی به زودی بیت‌کوین را نابود می‌کنند؟

رایانه‌های کوانتومی تهدیدی برای بیت‌کوین و سایر رمزارزها تلقی می‌شوند. دو دانشمند با در نظر گرفتن حقایق و اعداد و ارقام به بررسی این موضوع پرداخته‌‌اند که آیا ماینرهای کوانتومی مزیتی نسبت به ماینر‌های کلاسیک دارند یا خیر؟ و اگر دارند آیا این مزیت تهدیدی را متوجه بیت‌کوین نمی‌کند؟

آیا رایانه‌های کوانتومی می‌توانند بیت‌کوین را تهدید کنند؟ آیا یک روز می‌آید که رایانه‌های کوانتومی با قدرت پردازش بالاتری که دارند همه بیتکوین‌ها را ماین کنند و والت‌های افراد را خالی کنند؟ بعضی‌ها در پاسخ به این سوال‌ها می‌گویند بله، در بلندمدت این اتفاق می‌تواند بیفتد. عده‌ای دیگر هم می‌گویند خیر، تا مدت‌های بسیار طولانی جای هیچ نگرانی نیست.

دو استاد علوم رایانه از کانادا به بررسی این موضوع پرداخته‌‌اند که آیا ماینرهای کوانتومی خطری محسوب می‌شوند یا خیر و اگر محسوب می‌شوند چه خطری؟

این موضوع، موضوع ساده‌ای نیست مخصوصا برای افرادی که اطلاعات تخصصی درباره ریاضیات ندارند اما از آنجا که برای همه افرادی که علاقمند به بیت‌کوین و آینده رایانش هستند، جذاب و مهیج است سعی می‌کنم مقاله این دو دانشمند را به ساده‌ترین شکلی که می‌توانم بیان کنم.

جهشی رو به جلو

چهارچوب اصلی‌ای که این دو استاد دانشگاه با توجه به آن سوالاتشان را مطرح کرده‌‌اند این نظریه است که: اگر یک ماینر بیت‌کوین بیش از حد قدرتمند شود، می‌تواند این شبکه را تهدید کند. اگر چنین ماینری اکثریت مطلق قدرت را در اختیار داشته باشد می‌تواند حمله ۵۱ درصد را به اجرا در بیاورد، اما حتی کمتر از این میزان را هم در اختیار داشته باشد می‌تواند از طریق ماین و استخراج «تهاجمی» یا «خودخواهانه» باعث آسیب به این شبکه شود.

حالا اگر ماینری بتواند از طریق رایانش کوانتومی به چنین مزیتی دست یابد به این معنی که سهمش از هشریت به صورت نامتناسبی افزایش یابد چه اتفاقی می‌افتد؟

قبلا هم شاهد این ماجرا بوده‌ایم و خیلی مساله ساده‌ای است. پیشرفت فناوری به فرایند استخراج یا ماین بیت‌کوین شتاب می‌بخشد. این شتاب به صورت تدریجی اتفاق نمی‌افتد بلکه اغلب به صورت جهشی یا پرشی رخ می‌دهد. از سال ۲۰۱۱ کارت‌های گرافیک جایگزین پردازنده‌ها شدند و از سال ۲۰۱۳ ASICها کارت‌های گرافیک را از دور خارج و منسوخ کردند. در چنین مواقعی، بهره وری یا راندمان دیگر به صورت خطی افزایش نمی‌یابد بلکه به صورت توان ۲ یا حتی نمایی افزایش می‌یابد. حالا که ASICها ظرفیت و امکان استفاده از چیپ‌های کلاسیک را عمدتا محو کرده‌اند، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند آغازگر جهش بزرگ آتی در فرایند ماین و استخراج رمزارزها باشند.

این مسأله به خودی خود نباید مشکلی ایجاد کند. ساختار و طرز کار بیت‌کوین که بر اساس نظریه بازی (game theory) طراحی شده است، بازیگران منطقی را تشویق می‌کند که صادق باشند و همدیگر را کنترل کنند و نگذارند رقبا خیلی قوی شوند. اما با این وجود، باز هم آثار جهش‌های فناوری می‌تواند سخت و ناگوار باشد و شاید بدل به دروازه‌ای برای قدرت‌های متخاصم شوند که بدون منطق در تلاشند تا به بیت‌کوین ضربه بزنند.

در نتیجه، منطقی است بخواهیم بدانیم که چه زمانی این اتفاق ممکن است رخ دهد. چه اتفاقی بایستی بیفتد تا رایانه‌های کوانتومی جانشین ASICها در بخش استخراج بیت‌کوین شوند؟

جستجو در دیتابیس‌های مرتب سازی نشده

می‌توانید عملیات استخراج بیت‌کوین را اینگونه در نظر بگیرید که ماینرها با قدرت پردازشی که دارند اقدام به تولید یک سری کارکترهای تصادفی و شانسی می‌کنند. ماینرها هش‌هایی تصادفی ایجاد می‌کنند و اگر یکی از این هش‌ها حائز الزامات نادر و مشخصی باشد، آن ماینر یک بلاک پیدا کرده است. می‌توانید عملیات استخراج بیت‌کوین را نوعی حمله brute force علیه تابع رمزگذاری SHA256 هم تلقی کنید.

به قول این دو استاد دانشگاه «ماینرها تلاش می‌کنند تا تابع هش رمزنگاری شده را تا حدودی وارونه کنند.» این وارونه سازی جزئی تابع هش همچون جستجو به دنبال یک آيتم نشان‌دار در فهرستی نامرتب و نامنظمی از آیتم‌های مختلف است (یک جور جستجوی ساختار نایافته).

از آنجا که کارهای زیادی وجود ندارند که رایانه‌های کوانتومی بتوانند انجام دهند یکی از معدود کارهایی که می‌دانیم رایانه‌های کوانتومی از رایانه‌های سنتی و کلاسیک بهتر انجام می‌دهند جستجو برای یک آیتم در لیستی نامنظم و نامرتب است.

وقتی یک رایانه کلاسیک در یک دیتابیس نامرتب جستجو می‌کند (و یا یک حمله brute force انجام می‌دهد) هر بار بایستی روی یک ورودی(Entry) کار کند. می‌توانید آن را به مانند یک اشاره‌گر دو بعدی (two-dimensional pointer ) در نظر بگیرید که از یک آیتم به آیتم دیگر حرکت می‌کند. وقتی نیمی از ورودی‌ها را می‌بیند شانس اینکه به هدف دست یابد از ۵۰ درصد فراتر می‌رود. در نتیجه، یک رایانه کلاسیک به طور متوسط به N/2 عملیات‌ احتیاج دارد که N عبارتست از تعداد کل آیتم‌های ممکن.

رایانه‌های کوانتومی هم اکنون یک مزیت دارند: یک qubit می‌تواند در آن واحد هم 0 باشد هم 1 که به همین دلیل است که چندین qubit با هم همزمان می‌توانند نماینده تمامی گونه‌های مختلف ممکن باشند. می‌توانید آن را به منزله اشاره‌گری ببینید که در N بُعد اشاره‌گری می‌کند. اگر qubitها در این وضعیت دوگانه همزمان (Superposition) باشند، به این معتی است که پاسخ مسأله قبلا در خود آنها هست. بله در خودشان هست.

اما به محض اینکه شما وارد می‌شوید، پاسخ مسأله را خراب می‌کنید. این همان معمای مشهور کوانتوم است. اگر شما هم در این فرایند دخیل شوید به کوانتوم‌ها فشار می‌آورید تا یک وضعیت مشخص اما تصادفی به خود بگیرند. لذا، رایانه‌های کوانتومی پاسخ را می‌دانند اما وقتی شما می‌روید تا جواب را ببینید و استفاده کنید به صورت غم‌انگیزی پاسخ یا جواب مسأله را خراب می‌شود.

الگوریتم Grover: شتاب دهی سرعت جستجو به توان 2

اینجاست که الگوریتم Grover وارد صحنه می‌شود. این الگوریتم را Lov Grover در سال 1996 توسعه داد. الگوریتم Grover راهی برای بررسی نتیجه مسأله است. qubitها با ترکیب‌کردن «دروازه‌های کوانتومی» مختلف (که عملیات‌هایی در رایانه‌های کوانتومی هستند) نتایج غلط را شناسایی و آنها را حذف می‌کنند. در نتیجه، با هر بار تکرار، احتمال رسیدن به نتـیجه صحیـح افزایـش می‌یابد که این عملیات مـعروف به تکـرار Grover
(Grover iteration )است.

جزئیات این فرایند واقعا به طور دیوانه کننده‌ای پیچیده است. اما یک چیز روشن است؛ الگوریتم Grover با تعداد صحیحی از تکرار می‌تواند سرعت انجام این گونه جستجو‌ها را بالا ببرد. به هر حال، الگوریتم Grover برای پیدا‌کردن یک آیتم در یک لیست نامرتب تنها نیاز به N√ بار تلاش دارد. در نتیجه، تقریبا به توان ۲ برابر سریعتر است.

دو مثال می‌زنم، اگر ۴ آیتم داشته باشیم، رایانه‌های کلاسیک و کوانتومی دو بار تلاش می‌کنند. اما اگر ۵۱۹۸۴۰۰ آیتم وجود داشته باشد، رایانه کوانتومی بعد از ۲۲۸۰ بار تلاش آن را می‌یابد، در حالیکه یک کامپیوتر معمولی کلاسیک می‌بایست دو میلیون بار تلاش کند.

تفاوت خیلی زیاد و فاحش است، خصوصا در کارهای بسیار سخت و دشوار یا در جستجوهایی که عدد N در آنها خیلی بالا است مثل استخراج بیتکوین. به این اختلاف و تفاوت فاحش، مزیت کوانتومی گفته می‌شود. یکی از همان جهش‌هایی است که کل اکوسیستم را تکان می‌دهد. حداقل به لحاظ نظری.

مزیت کوانتومی به تدریج ناپدید می‌شود

اما در مقام عمل، ماینر کوانتومی به مشکلی بر می‌خورد. ماینر کوانتومی تا زمانی که نتیجه را نسنجد، نمی‌تواند بلاکی را پیدا کند در نتیجه فرایند را به این منظور متوقف می‌کند. در نتیجه بایستی از قبل بداند که کارش را چند بار باید تکرار(iterations) کند؟

سوال سختی است چرا که تعداد تکرار بیش از حد یا تعداد تکرار کم هر دو ضعف هایی دارند. تعداد تکرار‌های بیشتر شانس یافتن راه حل مسأله و ریسک اینکه ماینر دیگری سریعتر عمل کند را بالا می‌برد. از طرف دیگر، تعداد تکرار کم احتمال رسیدن به نتیجه معتبر و در نتیجه مزیت کوانتومی را کاهش می‌دهد.

اگر یک رایانه کوانتومی وقت بی پایانی می‌داشت می‌توانست از تمام مزیت کوانتومی خود بهره بگیرد اما در بحث استخراج بیت‌کوین و رمزارزها این امکان وجود ندارد. ماینر کوانتومی می‌بایست بین تعداد تکرار بیش از حد زیاد و بیش از حد کم موازنه‌ای برقرار کند.

این دو پژوهشگر به منظور یافتن بهترین موازنه بین این دو حالت یک زنجیره Markov با سناریو‌های ممکن را شکل دادند. زنجیره Markov ، فرمولی ریاضی از دنباله‌های غالبا تصادفی یا تا حدودی غیرمنتظره است. این زنجیره نشان می‌دهد که کدام مسیر در میان این جنگل انبوه احتمالات، به طور متوسط منتهی به بهترین نتیجه می‌شود یعنی چه تنظیماتی از الگوریتم Grover بهترین تنظیمات است.

شگفت آور است که این حالت بهینه برای ماینرهای کوانتومی در ۱۶ دقیقه است.

دو یافته قابل توجه

فرض کنید که یک ماینر کوانتومی برای خواندن نتیجه الگوریتم Grover، شانزده دقیقه انتظار بکشد. در این صورت، مزیت کوانتومی‌اش نسبت به ماینر‌های کلاسیک به نسبت ضعف‌هایی که از انتظار کشیدن طولانی ایجاد می‌شود، به حداکثر خود می‌رسد. بنا به نظر این دو استاد، این مزیت صرف نظر از میزان سختی و دشواری وجود دارد.

نتیجه این مزیت قابل توجه است چرا که می‌توان آن را وارد بکار بست. در اینجا می‌توان دو پیامد را دید:

ماینری که این تاکتیک را داشته باشد، خودش را از حدود ۸۰ درصد بلاک‌ها محروم و فاقد صلاحیت می‌کند. چرا که این بلاک‌ها در مدت زمانی زیر ۱۶ دقیقه پیدا می‌شوند. چنین ماینری، شانس خودش را در مورد ۲۰ درصد باقیمانده از بلاک‌ها به حداکثر می‌رساند. این بایستی حداکثر قدرت استخراج ماینرهای کوانتومی بدون فدا‌کردن راندمان و بهره وری‌شان باشد.

دوما اینکه، اکثر رمزارزها بین بلاک‌ها حدفاصل زمانی کمتری هم دارند. حدفاصل زمانی بین بلاک‌های دوج‌کوین (Dogecoin) و لایت‌کوین (Litecoin) حدود چند دقیقه است. در حالیکه حدفاصل بین بلاک‌ها در ریپل (XRP) و اتریوم(Ethereum) تنها چند ثانیه است. ماینرهای کوانتومی از این بلاک‌چین‌ها ضرب شستی می‌خورند چرا که مزیت کوانتومی در مورد آنها کارایی ندارد. این بلاک‌چین‌ها همین حالا هم ضد رایانش کوانتومی هستند لااقل در بحث ماین و استخراج کوین‌هایشان.

موازی سازی رایانه‌های کوانتومی هم به نظر به بن بست رسیده است. اگر چه امکان آن با استفاده از الگوریتم Grover هست ولی بنا به محاسباتی که این دو استاد دانشگاه داشته اند، این کار هم عملکرد را به اندازه عامل M√ بهبود می‌بخشد. برای رایانه‌های کلاسیک این عامل برابر با M است پس در نتیجه می‌توان گفت که میزان آن در مقایسه با ماینرهای کوانتومی، توان ۲ برابر باشد. این موضوع این تردید را ایجاد می‌کند که آیا اصلا رایانه‌های کوانتومی مناسبتی با بحث ماین و استخراج دارند یا خیر.

۷۸ مگا هش

تا همین جا هم این محاسبات خطر و تهدید رایانه‌های کوانتومی را به میزان چشمگیری تقلیل داده‌‌اند. اما پرسش اساسی هنوز بی پاسخ مانده است. چه اتفاقی باید بیفتد تا ماینرهای کوانتومی نسبت به ماینرهای کلاسیک مزیت داشته باشند؟ در چه نقطه زمانی یافتن یک بلاک با استفاده از رایانه‌های کوانتومی ارزانتر تمام می‌شود؟ اگر که اصلا این امکان وجود داشته باشد؟

در این خصوص دو عامل تعیین کننده هستند: هزینه هر بار تکرار Grover و نسبت تعداد هش‌های مورد نیاز برای یک بلاک به تعداد تکرار Grover لازم. این دو استاد دانشگاه، این موارد را با استفاده از نمونه‌ای از رایانه‌های کوانتومی کنونی که سرعت دروازه (gate speed) آن برابر با ۶۶.۷ مگا هرتز بوده است محاسبه کرده‌‌اند. دروازه‌ها همان دروازه‌ها هستند یعنی یک سری عملیات‌های کوانتومی روی ورودی‌ها. طبق محاسبات این دو استاد، این رایانه کوانتومی در هر ثانیه می‌تواند ۲۲۴ تکرار Grover انجام دهد.

می دانید معنیش چیست؟ ۲۲۴ تکرار Grover مطابق است با هشریت ۷۸مگاهشی در هر ثانیه. این عدد، اعشار خیلی کوچکی از هشریت بیت‌کوین است و در حقیقت تنها اعشار کوچکی از چیزی است که ASICهای مدرن می‌توانند انجام دهند. اینکه از این وضعیت احساس خطر کنیم مضحک و خنده دار است.

احتمالا رایانه‌های کوانتومی در آینده ماینرهای بهینه‌تری به لحاظ مصرف انرژی شوند

اما اگر ماینرهای کوانتومی خطری را متوجه بیت‌کوین و عملیات استخراجش نمی‌کنند، آیا حداقل بهینه‌تر نیستند؟ آیا دست کم این احتمال وجود دارد که ماینینگ و استخراج بیت‌کوین و رمزارزها از ASICها به سمت ماینرهای کوانتومی میل پیدا کند؟ و در چه زمانی؟

ماینرهای کوانتومی برای اینکه بهینه‌تر باشند، هزینه انرژی آنها بایستی حداکثر 105*3.49 برابر هزینه یک دستگاه ماینر کلاسیک باشد. در مقایسه با ماینرهای کلاسیک که بهره وری انرژی در آنها 10–10 ژول به ازای هر هش است، ماینر کوانتومی نیاز به بهره وری بهتری از 10-10*105*3.49 یا حدود ده μJ به ازای هر تکرار Grover دارند و یا بعبارتی دیگر به 2240 μJ در هر ثانیه.

خیلی کم به نظر می‌رسد. اما رایانه‌های کوانتومی خیلی از نظر مصرف انرژی بهینه هستند. به محض اینکه این سیستم تا 15میلی کلوین یا حدود صفر درجه مطلق خنک می‌شود بیت‌های کوانتومی (qubit) بدل به رسانای خارق‌العاده‌ای می‌شوند. آنها عملا به جریان برق نیازی ندارند و تقریبا هیچ گرمایی ایجاد نمی‌کنند. در حال حاضر، با لحاظ کردن نسبت خنکی ماینر به توانی که دارد باعث می‌شود که هنوز هم انتخاب رایانه‌های کوانتومی بعنوان ماینر غیر اقتصادی باشد. اما این مسأله احتمالا با پیشرفت‌هایی که در عرصه فناوری حاصل خواهد شد ، تغییر می‌یابد.

خب، در مجموع باید گفت که حالا بیتکوینرها می‌توانند تخت بخوابند و کمی هم روشن‌تر شده باشند و می‌توانند بدون ترس از آینده رایانه‌های کوانتومی به رویاپردازی خود ادامه دهند.

صفحه توییتر:

http://twitter.com/BitcoinBreads

کانال تلگرام:

https://t.me/BitcoinBreads