Майнинг на квантовых компьютерах: правда ли, что биткоину конец

В феврале 2025 компания Microsoft представила новый квантовый чип — Majorana 1. Он работает при помощи экзотических частиц, которые выступают собственными античастицами. Уникальный материал, научный прорыв, но… Кажется, криптовалютам придёт конец. Или нет? Разбираемся в статье ⤵

Последние несколько лет компании публикуют новые разработки в сфере квантовых вычислений. В феврале 2024 года Google представили свой квантовый компьютер — на 105 кубитов. При этом самый мощный из существующих компьютеров обладает 433 кубитами.

Изобретатели не останавливаются на достигнутом — компания PsiQuantum привлекла $750 000 000 на разработку компьютера с более чем миллионом кубитов. Чтобы вы понимали, как это много: в деньгах — 664 308 средние российские зарплаты. В кубитах… кажется, человечество сможет придумать лекарство от всех болезней, вечный двигатель, и что там ещё нам хотелось.

Зачем оно всё нужно, почему мы ещё не в будущем и как квантовые компьютеры связаны с майнингом — изучаем далее:

Как работают компьютерные вычисления

Для работы компьютеры используют биты — это минимальная единица информации. У каждого бита всего два значения: либо 0, либо 1. Проще говоря, на простой запрос бит может ответить либо «да», либо «нет». 

От одного бита толку мало, поэтому смысл они обретают только в связке. Любую программу на компьютере в конечном итоге можно разложить на нули и единицы — все они состоят из множества простых битов.

Например, так в двоичном коде выглядит слово «Привет», если его разложить на биты информации:100000111111000100000010000111000100001100101000011010110001000010

Вычисления тоже происходят благодаря битам. Представьте: вы играете в компьютерную игру — открываете дверь, и вам открывается новая локация. В это время видеокарта запускает процесс:

• представляет данные в виде битов: цвета раскладываются в набор битов, пикселям задают координаты в битах, данные о текстурах и тенях — также в битах;
• графический процессор проводит вычисления: происходят матричные преобразования, вроде поворота 3D-моделей, рассчитывают свет и тени, рендерятся текстуры — результаты этих вычислений также происходят в битах;
• шина памяти передаёт данные: она отправляет их пакетами в 128-бит, 256-бит, 512-бит или в других значениях, которые соответствуют степеням двойки. Чем больше шина, тем больше данных можно передать за раз.

На деле операций происходит куда больше, но суть одна: все операции компьютер просчитывает в битах. Они лежат в основе любых вычислений на любом процессоре.

В чём соль: поскольку бит может принимать всего два состояния, компьютерам требуется перебор, чтобы найти решение для задачи. Во многих задачах техника делает это последовательно: подставляет сначала первое значение, затем второе, и далее. Чем мощнее оборудование, тем быстрее и тем более сложные задачи оно сможет решать. В том числе так работает и майнинг.

В чём отличие квантовых вычислений

Начнём по порядку: квантовые вычисления основываются на квантовой механике. Это такой раздел науки, который обнулил предыдущие две тысячи лет развития физики. При этом никто толком не понял, как это так получилось. Но мы попробуем разобраться.

Квантовые вычисления используют принцип суперпозиции. Суперпозиция — это такое явление, когда объект может находиться в разных состояниях одновременно. Обычно эту вещь объясняют на примере с монеткой: человек её подбросил, но ещё не взглянул на результат — она будто бы и орёл, и решка одновременно.

Хоть с первого взгляда суперпозиция и кажется ерундой, она существует на самом деле — её зафиксировали при экспериментах со светом. Дело в том, что фотоны, частицы света, ведут себя по-разному. Если за ними наблюдать — то как частица. А если не наблюдать — то как волна.

К чему это вообще: поскольку частицы, кванты, могут быть в нескольких состояниях сразу, то и квантовые расчёты могут идти не последовательно, а параллельно. Если бит принимает значения 0 или 1, то кубит принимает все значения сразу — и среди них находит нужное.

Квантовые вычисления решают главную проблему развития технологий — рост сложности расчётов. Майнеры это точно знают не понаслышке. Прирост сложности проходит быстрее, чем прирост мощностей у оборудования.

Например, физики и химики бьются с расчётом моделей молекул. Для многих формул действует факториальное усложнение: чем больше частиц в ядре, тем труднее строить модель. Вот сколько решений нужно подбирать в зависимости от числа электронов:

Количество электронов	Число исходов
1	1
2	2
3	6
4	24
5	120
…	…
10	3 628 800

Чтобы построить модель атома с хотя бы 10 электронами, «классическому» компьютеру нужно перебрать 3 628 800 разных вариантов, а для 11 — уже 39 916 800. Это требует больших вычислительных мощностей, и даже суперкомпьютеры пока не моделировали ничего сложнее молекулы пропана из 11 атомов.

Но квантовые компьютеры способны «перевернуть игру». Кубиты квантового компьютера могут просчитывать 2ⁿ состояний одновременно. Это колоссальные вычислительные мощности:

Число кубитов	Сколько состояний просчитывает
1	2
2	4
3	8
…	…
10	1024
50	1 125 899 906 842 624
433	221 813 575 529 665 188 766 273 134 731 446 696 274 914 966 030 065 326 013 638 366 449 169 704 624 450 049 843 197 952 488 331 166 247 791 296 876 912 285 746 317 932 625 92

Получается, самый мощный квантовый компьютер может одновременно просчитывать 2⁴³³ состояний — это примерно в 22 180 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз больше, чем число атомов в наблюдаемой Вселенной. И это с условием, что технология существует не так давно.

Можно ли майнить на квантовом компьютере

Гипотетически — да, для этого существует алгоритм Гровера. Это математическая формула для квантовых вычислений, которую можно применить для майнинга. 

В теории, квантовый майнинг получится даже эффективнее: там, где обычному ASIC нужно перебрать N вариантов, квантовому компьютеру потребуется √N вариантов. Применяем это к майнингу биткоина:

• монета использует алгоритм SHA-256. Получается, для поиска блока нужно подобрать хеш, зашифрованный в 256 битах;
• чтобы подобрать нужный хеш, майнеру на обычном ASIC может потребоваться 2²⁵⁶ шагов — это количество возможных хешей;
• с алгоритмом Гровера на квантовом компьютере майнеру требуется √2²⁵⁶ вариантов, или же 2¹²⁸ — это в 340 квинтильонов раз меньше, чем требуется обычному майнеру.

Квантовому компьютеру для добычи биткоина нужно перебрать в 340 000 000 000 000 000 000 раз меньше хешей, чем обычному ASIC

Получается, кто первым применит квантовый компьютер в майнинге — тот и добудет все биткоины? Не всё так просто — у квантовых вычислений очень много ограничений.

Стоит ли майнерам бояться квантовых компьютеров

Скорее нет, чем да. Технология очень специфическая — просто так к ней не получится адаптировать любое «классическое» вычисление. При этом квантовые компьютеры безумно дорогие: из-за высокой стоимости разработки, производства и обслуживания, сейчас в мире не более двухсот таких компьютеров.

Квантовый компьютер невероятно сложно обслуживать. Для его стабильной работы требуется поддерживать температуру на уровне абсолютного нуля, то есть −273,15℃. Компьютеры охлаждают при помощи изотопов гелия He-3: это вещество растворяется и превращается в He-4, а во время химической реакции поглощает тепло.

Обслуживать квантовый компьютер можно только на специализированных производствах и в лабораториях. В других условиях не получится достичь нужной температуры.

Внешний вид квантового компьютера: на вершине — квантовый криостат, который по уровням охлаждает установку сверху вниз. Снизу — квантовый чип размером с почтовую марку

Квантовые компьютеры неточные. Они высчитывают вероятности наступления событий, а не дают точные значения. Поэтому существуют специальные квантовые системы для перепроверки ответов, которые дают квантовые компьютеры.

Современная техника дошла до того, чтобы точность одной операции составляла 99%. Кажется, что это много, но на деле вычисления очень редко состоят из одного действия. Когда операций несколько, вероятности перемножаются, и точность финального ответа снижается.

Чтобы прикинуть точность ответа квантового компьютера, можно использовать формулу Pⁿ. P — вероятность правильного ответа за операцию, а n — количество операций. Если компьютер работает с точностью в 99% за операцию и совершает 5 действий, точность будет 0.99⁵. Следите за руками:

Кол-во операций с точностью 99%	Итоговая точность
1	99%
3	97,03%
10	90,4%
100	36,6%
300	4,9%
1000	0,0043%

Квантовому компьютеру нужно сделать в разы меньше операций, чем обычному ASIC, но в среднем ему всё равно потребуется перебрать около 34 359 738 368 хешей, чтобы добыть биткоин. Даже если точность квантового компьютера будет 99% за операцию, итоговый результат будет успешным лишь в 10⁻¹⁰⁰⁰⁹⁹⁸ случаев — это почти ноль, но после запятой ещё больше миллиона нулей.

Проще говоря, современные квантовые компьютеры гипотетически могут быстрее справиться с майнингом, чем традиционные ASIC. Вот только они не смогут определить, какой из вариантов оказался верным.

Квантовые вычисления легко разрушить. Помните, мы писали про принцип суперпозиции? Когда за фотонами наблюдают, то они ведут себя как частицы, а если не смотрят за ними — то как волна. Это правило действует и для квантовых вычислений. Поэтому возникает несколько нюансов:

• кубиты очень чувствительны к внешним раздражителям: температуре, шумам, вибрациям. Малейшее изменение резко снижает точность;
• наблюдение или измерение разрушает принцип суперпозиции — вычисление прекращается;
• кубиты «живут» около одной наносекунды (одна миллиардная секунды) при комнатной температуре, и около одной миллисекунды (одна тысячная секунды) при абсолютном нуле. Чтобы вычисление было точным, информация на кубите должна сохраняться дольше, чем идёт расчёт.

Поскольку для майнинга нужно весьма долгое вычисление даже по квантовым меркам, современные квантовые компьютеры пока не справляются с этой задачей. Даже если адаптировать их для добычи биткоина, ASIC будут находить блоки быстрее.

Реальная угроза — квантовые компьютеры смогут ломать криптокошельки

И не только кошельки. На самом деле квантовые компьютеры могут взламывать очень многие криптографические системы — в том числе банковские счета. Поэтому в эпоху квантовых компьютеров традиционные системы безопасности окажутся под угрозой.

В случае криптовалюты квантовый компьютер может использовать алгоритм Шора, чтобы получать доступ к Биткоин-кошелькам. Как это работает:

У каждого биткоин кошелька есть приватный ключ. Это уникальный код, который открывает доступ к активам. С его помощью создаётся публичный ключ — биткоин-адрес, на который можно отправлять крипту.

Публичный ключ создаётся при помощи эллиптической криптографии (ECDSA). Её главная особенность — операцию можно провести в одну сторону, а расшифровать обратно уже невозможно. Получается, что при наличии приватного ключа можно получить публичный адрес, но не наоборот.

Представим, что у нас есть все ASIC мира, и с их помощью мы решили не майнить, а взламывать криптокошельки. Если допустить, что эти мощности обрабатывают десять септилионов (число с 24 нулями) операций в секунду, то на взлом одного биткоин-кошелька уйдёт 10⁵² секунд. Это в 31 688 087 814 028 950 000 000 000 000 000 000 раз больше, чем возраст Вселенной.

Защита крипты работает только для «классических» компьютеров. Квантовые компьютеры в теории можно настроить так, чтобы они могли взламывать шифры — для этого потребуется алгоритм Шора. Он обрабатывает задачи за полиноминальное время: это означает, что сложность вычислений растёт предсказуемо, и компьютер не испытает больших перегрузок во время взлома.

По оценкам исследователей, квантовому компьютеру потребуется от 1 500 до 5 000 кубитов, чтобы взламывать биткоин-кошельки за считанные минуты. Самый мощный квантовый компьютер обладает всего 433 кубитами.

На момент написания статьи на биткоин-адресе Binance лежат биткоины общей стоимостью в 29 миллиардов долларов. Квантовый компьютер нужной мощности взломает этот адрес за несколько минут

Но даже до квантовых взломов человечеству ещё далеко. К тому же, во многих банках уже существуют технологии защиты от квантовых компьютеров — а многие блокчейны можно обновить для дополнительной безопасности.

Главный вывод: майнинг на квантовых компьютерах переоценён

Во многих криптожурналах уже развилась страшилка, что квантовые компьютеры уничтожат майнинг. Этот тезис построен на единственном свойстве этой технологии — в очень специфических задачах квантовые компьютеры считают в разы быстрее обычных.

Однако существует очень много «но», которые делают майнинг на квантовых компьютерах нецелесообразным:

• они безумно дорогие, и вложения вряд ли получится окупить при помощи майнинга;
• компьютеры требуют идеальных условий — и даже в таком случае точность снижается при долгих вычислениях;
• вычисления нужно перепроверять, а в процессе кубиты могут разрушиться — из-за этого свойства ASIC обгоняют квантовые компьютеры.

Самая ближайшая угроза от квантовых компьютеров — возможные взломы криптокошельков. Но и для этих вычислений нужно увеличить мощности самых крутых образцов как минимум втрое. Кажется, ещё пару десятков лет об этой проблеме можно даже не задумываться.

В общем, майнерам пока бояться нечего: в обозримой перспективе техногиганты из Google, IBM и Microsoft не смогут похоронить майнинг. И даже если квантовые технологии действительно распространятся — мы просто поменяем ASIC на квантовые ПК 🙂