Как квантовые компьютеры могут повлиять на майнинг криптовалюты22.06.2024 18:30

Квантовые компьютеры теоретически могут существенно изменить ландшафт майнинга криптовалют, и их использование в этой сфере может иметь значительные последствия. Давайте разберем, какие именно изменения могут произойти, и как они повлияют на криптоиндустрию.

1. Генеральные принципы криптовалюты

Перед тем как разбираться что такое майнинг и как квантовые компьютеры могут повлиять на это, нужно понимать, что такое криптовалюта и как она работает.

Криптовалюта — это цифровые деньги, которые существуют только в интернете и не контролируются ни банками, ни правительствами. Главная технология, на которой она основана, называется блокчейн.

Блокчейн — это как большая книга учёта, где записываются все транзакции (переводы денег) между пользователями. Представь себе длинную цепочку блоков, где каждый блок — это страница в этой книге. Каждый раз, когда кто-то отправляет криптовалюту другому человеку, эта транзакция записывается в новый блок. Эти блоки связаны между собой в порядке, в котором они создавались, как страницы книги, которые идут одна за другой.

Главная фишка блокчейна в том, что эту книгу учёта проверяет и хранит множество людей по всему миру. Из-за этого подделать или изменить данные в блокчейне практически невозможно — для этого пришлось бы изменить у всех участников сети сразу, что практически не выполнимо.

Таким образом, благодаря блокчейну, криптовалюта остаётся честной и безопасной, так как каждый может проверить все транзакции и убедиться, что всё в порядке.

Чтобы создать новый блок, специальным компьютерам, нужно решить сложную математическую задачу. Это похоже на соревнование: кто первый решит задачу, тот добавит блок в цепочку и получит награду в виде криптовалюты. Это и называется майнингом криптовалюты. У каждого блока свое уникальное решение, которое так-же записывается в заголовок блока. При этом для каждого блока существует несколько решений — достаточно найти хотя бы одно из них.

2. Теперь подробнее про добавление новых блоков в блокчейн

Майнинг криптовалют, таких как биткойн, включает решение сложных математических задач, известных как криптографические хеш-функции (например, SHA-256 для биткойна).

Вот как это работает более подробно:

Заголовок блока: В криптовалютах, таких как Биткойн, содержит несколько важных полей, таких как версия, хеш предыдущего блока, корневой хеш дерева Меркла (который представляет все транзакции в блоке), временная метка, целевое значение (difficulty target) и нонс (nonce).
Нонс: Нонс — это специальное число, которое майнеры изменяют для того, чтобы найти такой хеш блока, который удовлетворяет условиям сложности. Каждый раз, когда майнер изменяет нонс и хеширует заголовок блока, он получает новый хеш.
coinbase-транзакция — каждый новый блок в блокчейне начинается coinbase транзакции. Это специальная транзакция, которая создаёт новые биткойны из ниоткуда и включает их в этот блок. В coinbase транзакции указывается адрес кошелька майнера, на который зачисляются новые биткойны как вознаграждение за вычислительную работу по находке нового блока и подтверждению транзакций.
Процесс хеширования: Майнеры продолжают изменять нонс и хешировать заголовок блока до тех пор, пока не найдут такое значение, что полученный хеш будет начинаться с определённого числа нулей (или будет меньше целевого значения сложности). Это значение хеша является допустимым решением.
Несколько допустимых решений: Поскольку существует огромное количество возможных значений нонсов, для одного блока может существовать множество различных хешей, которые удовлетворяют условиям сложности. Именно поэтому говорят, что для каждого блока может быть несколько решений. Однако для каждого конкретного значения нонса существует только один уникальный хеш.
Запись в блок: Как только майнер находит допустимый хеш, заголовок блока с найденным нонсом записывается и распространяется по всей сети для проверки. Если узлы сети подтверждают блок, он добавляется в блокчейн, и майнер получает вознаграждение на указанный в coinbase-транзакции адрес.

Давайте разберем на примере чтобы было проще понять принцип «майнинга»:

Исходные данные:
Предположим, что у вас есть блок транзакций, который необходимо добавить в блокчейн. Этот блок содержит список транзакций, метку времени и другие данные. Для упрощения примера, допустим, что блок включает следующие транзакции:

Транзакция 1: A → B (1 BTC)
Транзакция 2: C → D (2 BTC)

Объединение данных блока:
Все данные блока объединяются в единый блок данных. Например, данные могут выглядеть следующим образом (упрощённо):
Block Data: "A→B1BTC;C→D2BTC;Timestamp:20240615;PreviousHash:000000...0000"

Вычисление хеша блока:
Теперь майнеры должны найти такой хеш, который удовлетворяет критерию сложности. Например, хеш должен начинаться с определённого числа нулей. Допустим, текущая сложность требует, чтобы хеш начинался с четырёх нулей:»0000».

Для этого майнеры добавляют к блоку случайное число (так называемый «nonce») и вычисляют хеш для комбинации данных блока и этого числа. Например:

Block Data + Nonce: "A→B1BTC;C→D2BTC;Timestamp:20240615;PreviousHash:000000...0000;Nonce: 1"

Применяя хеш-функцию SHA-256 к этой строке, мы получаем некоторый хеш. Майнеры продолжают изменять nonce и вычислять хеши, пока не найдут подходящий хеш. Например:

Nonce: 1 → Hash: "5d41402abc4b2a76b9719d911017c592"
Nonce: 2 → Hash: "7d793037a0760186574b0282f2f435e7"
Nonce: 3 → Hash: "0000ffae67a2fcd34b2bb4eea4b0f82d"

Когда майнер находит nonce, который даёт хеш, соответствующий критерию сложности (в нашем примере это »0000ffae67a2fcd34b2bb4eea4b0f82d»), он объявляет этот блок найденным, и блок добавляется в блокчейн. Майнер получает вознаграждение в виде новых монет на адрес кошелька который указан в coinbase транзакции новосозданного блока.

Я намеренно упустил много деталей и тонкостей, чтобы не усложнять и так не самую простую тему для понимания. Детали вы можете получить в статях которые относятся к конкретным деталям работы блокчейна.

2. Квантовые компьютеры и вычислительные задачи

Квантовые компьютеры используют квантовые кубиты, которые способны существовать в суперпозиции состояний, что позволяет им решать определенные классы задач намного быстрее, чем классические компьютеры.

Кубиты (квантовые биты) — это основной элемент информации в квантовых компьютерах, аналог классических битов, но с важными отличиями:

Суперпозиция: В то время как классический бит может находиться только в одном из двух состояний — 0 или 1, кубит может находиться в суперпозиции этих состояний, то есть одновременно представлять и 0, и 1. Это описывается квантовой механикой и позволяет кубиту выполнять параллельно множество вычислений.

3. Квантовые компьютеры в майнинге

Увеличение скорости: Квантовые компьютеры могут существенно снизить время, необходимое для нахождения правильных хешей. В результате майнеры смогут быстрее вычислять новые блоки, что потенциально может привести к концентрации усилий в руках тех, кто имеет доступ к квантовому оборудованию.

Изменение сложности: В блокчейне встроен механизм регулирования сложности хеширования для поддержания стабильности системы. Если количество мощных майнеров увеличится за счет использования квантовых компьютеров, это приведет к автоматическому увеличению сложности задачи.

Влияние на экономику криптовалют: С одной стороны, квантовые компьютеры могут ускорить производство новых криптовалют, что может привести к их обесцениванию из-за увеличения предложения. С другой стороны, майнеры с квантовым оборудованием получат значительное преимущество, создавая неравные условия в сети.

Влияние квантовых компьютеров на криптовалюту

Если представить, что на квантовых компьютерах вычисления хешей для новых блоков будет происходить быстрее, то это может привести к тому, что весомая доля всех токенов валюты (монет) может оказаться в руках маленькой группы лиц у которой есть доступ к такому оборудованию. Такие опасения вполне не беспочвенны, ведь если использовать алгоритм Гровера, квантовые компьютеры смогут эффективнее находить нужное значение для добавление нового блока.

Алгоритм Гровера — это квантовый алгоритм для ускоренного поиска решений в неупорядоченных базах данных или средах. Его применение в криптографических контекстах, таких как поиск хеша, включает использование суперпозиции и квантовых параллелизмов для более быстрой проверки возможных решений. Рассмотрим, как этот алгоритм можно использовать для ускоренного поиска значения, необходимого для добавления нового блока в блокчейн, и насколько это будет эффективнее по сравнению с классическими методами.

Как алгоритм Гровера может ускорить поиск значения:

С помощью алгоритма Гровера можно формализовать задачу поиска хеша как задачу поиска значения в неупорядоченной базе. Алгоритм Гровера позволяет искать элементы в базе данных, состоящей из (N) элементов, с временной сложностью $( O(\sqrt{N}) )$

Квантовый компьютер может создавать суперпозицию всех возможных значений нонса одновременно. С помощью оракула (черного ящика), который проверяет каждое значение на соответствие условиям хеширования, алгоритм Гровера можно использовать для амплитудного усиления состояния, соответствующего правильному нонсу.

Алгоритм Гровера итеративно усиливает амплитуды правильных решений так, что после примерно $( O(\sqrt{N}) )$ итераций правильное значение нонса будет найдено с высокой вероятностью.

Сравнение эффективности

Классический случай: В классических вычислениях поиск нужного нонса осуществляется путем перебора возможных значений. Сложность этой задачи — (O (N)), где (N) — количество возможных нонсов.
Квантовый случай с алгоритмом Гровера: Алгоритм Гровера уменьшает временную сложность задачи до $( O(\sqrt{N}) )$ . Для задачи поиска нонса это означает, что вместо того, чтобы методически проверять все (N) возможных значений, требуется проверить примерно $(\sqrt{N})$ значений.

Эффективность: Если классический подход требует, например, проверки $( N = 2^{64} )$ возможных нонсов, алгоритм Гровера будет требовать $( \sqrt{2^{64}} = 2^{32} )$ операций.
Это подразумевает ускорение в $(\sqrt{N} = 2^{32} )$ раз.

Заключение

На сегодняшний день квантовые компьютеры ещё не стали достаточно мощными и доступными для того, чтобы значительно изменить ситуацию в области майнинга криптовалют. Тем не менее, их будущее развитие действительно может внести серьёзные изменения и требует внимания как криптографов, так и майнеров. Поддержание безопасности и эффективности систем блокчейна станет критическим аспектом в эпоху квантовых вычислений.