В России создан первый в мире квантовый блокчейн. И еще: что такое блокчейн
Российские физики создали первый в мире квантовый блокчейн
Физики из Российского квантового центра (РКЦ) создали и проверили на практике первый в мире «квантовый блокчейн» – невзламываемую систему распределенного хранения данных, сообщает ТАСС.
Квантовый блокчейн РКЦ защищен при помощи методов квантовой криптографии, инструкции по его сборке опубликованы в электронной библиотеке arXiv.org.
По словам Алексея Федорова из РКЦ, неограниченные вычислительные мощности квантовых компьютеров в потенциале позволят злоумышленникам подделывать электронные подписи, которыми подписаны транзакции в блокчейне, и незаметно вносить изменения в него или не давать другим участникам сети пользоваться им.
Для решения этой проблемы Федоров и его коллеги создали собственную версию блокчейна, которая позволяет использовать квантовую криптографию и системы квантовой передачи данных для защиты подобных баз данных от взлома.
В ее рамках квантовые каналы связи, защищенные от взлома, используются для передачи данных о тех транзакциях, которые совершаются в настоящее время. Когда все участники блокчейна получают данные о готовящихся трансферах информации или денег, они проверяют благонадежность их участников и коллективно решают, стоит ли его занести в базу, попарно сравнивая полученные значения между собой.
Впрочем, подобный подход защищает блокчейн только от отдельных «нечестных» участников транзакций, отправляющих противоречивые данные разным участникам сети, но не дает гарантии защиты от полного захвата сети и подделки всей базы в целом. С другой стороны, по словам физиков, подобный взлом блокчейна – крайне сложная и фактически нерешаемая задача, так как она потребует захвата существенной части участников сети.
Как рассказывают ученые, квантовый блокчейн был протестирован на недавно созданной трехузловой квантовой сети между отделениями «Газпромбанка» в Москве. Все попытки «злоумышленника», роль которого играл один из участников сети, внести ложные транзакции в базу данных провалились, что подтвердило работоспособность блокчейна.
«По прогнозам экспертов на основе блокчейнов к середине 2020-х годов будет создаваться порядка $62 триллионов услуг. При этом эффект от нашей разработки может многократно увеличить объем рынка. Важно также, что эта технология создана и впервые опробована в России в реальных жизненных условиях», — заключают Федоров и его коллеги.
Как ранее сообщал ForkLog, методы квантовой криптографии для обеспечения еще более высокого уровня безопасности при шифровании данных также планирует задействовать платформа управления, проектирования и анализа бизнеса BitCAD.
Подписывайтесь на новости Forklog в Facebook!
В России запустили первый в мире квантовый блокчейн
Оборудование для квантовой криптографии
Российский квантовый центр
Физики из Российского квантового центра впервые запустили квантовый блокчейн — инструмент для создания распределенной базы данных, в которой практически невозможно подделать записи. Классические схемы блокчейна используются для криптовалют (например, в них записываются передачи биткоинов между пользователями), а в будущем они могут найти применение для составления умных контрактов, хранения информации о правах интеллектуальной собственности и других данных. Задача квантового блокчейна — обезопасить классические схемы от появления квантового компьютера. Схема была протестирована на городских оптоволоконных сетях (препринт), кратко о результатах тестирования сообщает пресс-релиз РКЦ.
Блокчейн— это база данных, в которой блоки информации, организованные строго определенным образом, идут друг за другом. Эти блоки хранятся на компьютерах всех пользователей, обменивающихся данными в рамках блокчейна. Каждый новый блок хранит в себе информацию о предыдущих, поэтому что-то исправить или подделать в такой базе данных практически невозможно.
В блокчейне может храниться база данных транзакций — описаний событий, когда один участник распределенной сети передает другому, например, некоторую сумму денег. Каждая транзакция содержит в себе цифровую подпись участника и данные о себе. Транзакции объединяются в последовательные блоки — в каждый из них записан хэш информации. Это результат действия на данные специальной функции, использующей каждый их бит и возвращающей достаточно длинное число. Например, можно возвести строку данных в куб и взять первые 256 бит результата. Как правило, для получения хэша используются достаточно сложные функции — если хотя бы один бит в данных транзакций поменяется, то сильно изменится и весь хэш. Более детальное описание блокчейна и его применений можно прочесть в нашей сказке в трех главах «Еж и Муравей».
Чтобы сформировать очередной блок в блокчейне необходимо решить довольно сложную вычислительную задачу. Это ограничивает скорость создания блоков. Кроме того, если злоумышленник сможет создать блок с поддельными транзакциями и попытается встроить его в блокчейн, то он просто не получит продолжения, так как транзакции в нем не будут подтверждены. Потом система отвергнет его. Ряд футурологов допускает, что блокчейн сильно разовьется в будущем — к 2025 году с ним могут оказаться связано до 10 процентов мирового внутреннего продукта.
Однако блокчейн, как и методы шифрования информации, оказался уязвим для квантовых компьютеров. В его основе лежит принцип асимметрического шифрования — зная число легко определить результат действия на него функции (для этого нужно подействовать на него этой функцией), но зная результат действия функции на число, определить само число порой сложно. Так, например, легко проверить что хэш блока соответствует его содержимому и очень сложно подобрать содержимое блока, которое соответствовало бы конкретному хэшу.
Квантовые алгоритмы способны обогнать обычные компьютеры при решении некоторых задач. Классический пример — алгоритм Шора, способный раскладывать числа на простые множители. С длиной числа у классических алгоритмов время перебора множителей растет экспоненциально, а у квантовых — как полином. Эта операция — ключ к расшифровке сообщений, зашифрованных с помощью популярного алгоритма RSA.
Если одним из узлов сети блокчейна станет квантовый компьютер, то он сможет подделать электронные подписи пользователей (формируются с помощью RSA), проводящих транзакции, и подписи авторов блоков. Более того, с помощью другого квантового алгоритма — алгоритма Гровера — квантовый компьютер может гораздо быстрее создавать новые блоки. Если для классического компьютера задача создания блока требует времени пропорционального 2 k , то для квантового компьютера 2 k/2 . Это может обеспечить квантовому узлу преимущество и в теории позволить генерировать больше половины всех новых блоков в сети. В теории это позволит злоумышленнику — владельцу узла записать новую ветвь блокчейна с желаемой информацией и сделать ее основной.
Один из путей защиты от квантового компьютера — введение постквантовой криптографии, методов шифрования, одинаково сложных к дешифровке и для квантового и для классического компьютера. Эти методы уже сейчас тестирует Google в одной из версий Chrome. Но эти методы требуют больших вычислительных мощностей и, к тому же, их сложность еще не доказана.
Авторы новой работы реализовали концепцию блокчейна, в основе которой лежит квантовое распределение ключа. Особенностью концепции является то, что транзакции подтверждаются в системе автоматически — нет нужды в цифровой подписи. Ее роль играет квантовый канал связи, на уровне законов квантовой механики запрещающий подслушивание ключа для шифрования и подделку сообщений. Благодаря этому все участники сети в точности знают кто является автором транзакции. Подробнее об особенностях квантового распределения ключа можно прочесть в нашем материале «Выдергиваете и сжигаете», вкратце же его «невзламываемость» основана на том, что любая попытка измерить состояние квантовой системы обязательно поменяет ее.
Кроме того, в новой концепции нет классической парадигмы блокчейна о том, что блоки может формировать любой участник сети. Вместо этого генерация блоков происходит децентрализовано. Предложенная схема способна поддерживать функционирование даже если треть узлов будет вести себя «нечестно». Минус квантового блокчейна в том, что все узлы сети должны быть попарно связаны между собой квантовыми каналами связи. В то же время, такая система масштабируема и останется безопасной даже в случае резкого развития квантовых технологий.
Алгоритм удалось реализовать в городских условиях на базе трехузловой гетерогенной квантовой сети, о которой мы недавно писали. Важно, что генерации блоков и ключей удалось добиться даже в условиях сильных потерь в обычной оптоволоконной линии.
На сегодняшний день квантовые компьютеры еще находятся на ранней стадии развития. Максимальное количество кубитов в квантовом компьютере не превышает 17, а преимущество квантовых вычислителей над классическими компьютерами было показано только для очень специальных задач. Тем не менее несколько крупных корпораций и научных групп по всему миру работает над созданием более совершенных вычислительных устройств. Недавно квантовый бозонный сэмплер, разработанный китайскими, германскими и британскими физиками, смог обойти по производительности ENIAC (первый универсальный классический компьютер) примерно в 220 раз.
Квантовый блокчейн: как открытия физиков произведут революцию в IT
© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина
МОСКВА, 10 мар — РИА Новости. 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.
© AP Photo / Mark Lennihan
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.
© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина
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.
Алексей Федоров, физик из Российского квантового центра
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.
Система квантовой связи, созданная в Российском квантовом центре
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.
© Фото : пресс-служба МГУ
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.
© Фото : Университет ИТМО
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.
Система квантового шифрования данных, создаваемая в РКЦ
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.
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.
