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Erste quantengesicherte Blockchain-Technologie in Moskau getestet
Das Interesse an Kryptowährungen ist derzeit auf Hochtouren, da Banken, Unternehmen und Regierungen versuchen, die Technologie zu verstehen und wie sie sie nutzen können. Infolgedessen begann der Kryptowährungsmarkt exponentiell zu steigen und erreichte im vergangenen Monat eine Marktkapitalisierung von erstaunlichen 90 Milliarden US-Dollar. Was auch immer als nächstes passiert, Kryptowährungen werden mit Sicherheit eine zunehmend einflussreiche Rolle im globalen Finanzsystem spielen.
Aber am Horizont zeichnet sich ein Problem ab. Die große Herausforderung bei digitalem Bargeld besteht darin, sicherzustellen, dass jeder es ehrlich verwendet. Und es scheint eine ziemlich gute Lösung in Form der Blockchain-Technologie zu geben. Dies garantiert Ehrlichkeit unter Verwendung kryptografischer Techniken, von denen allgemein angenommen wird, dass sie unzerbrechlich sind, außer durch Brute-Force-Angriffe.
Und darin liegt das Problem. Brute-Force-Angriffe sind für klassische Computer schwierig, werden aber für die nächste Generation von Quantencomputern einfach sein. Die gewaltige Rechenleistung dieser Geräte bedeutet, dass Kryptowährungen, sobald sie verfügbar sind, plötzlich anfälliger für Angriffe sind.
Daher wäre eine Möglichkeit, die Blockchain-Technologie vor Quantenangriffen zu schützen, äußerst nützlich.
Betreten Sie Evgeny Kiktenko vom Russian Quantum Center in Moskau und ein paar Freunde, die ein Quanten-Blockchain-System entworfen, gebaut und getestet haben, in dem die Sicherheit durch Quantenmechanik garantiert wird. Sie haben es mit einem Standard-Quantenkryptografiesystem gebaut, wie es bereits im Handel erhältlich ist.
Zuerst etwas Hintergrund. Blockchains zeichnen eine Liste von Transaktionen auf eine Weise auf, die unlautere Verwendung wie Manipulation oder doppelte Ausgaben verhindert. Sie ermöglichen es jedem Computer, diese Liste zu verfolgen, indem sie sie zu einem Block zusammenstellen, der dann verschlüsselt wird, um eine Zahl namens Hash zu bilden.
Der Verschlüsselungsprozess ist wichtig. Es ist ein Algorithmus, der einfach zu berechnen, aber schwer umzukehren ist (wie die Faktorisierung). Der erzeugte Hash-Wert ist eine einzigartige Eigenschaft des Blocks, und jede Manipulation an den Datensätzen wäre sofort offensichtlich, da dies den Hash verändern würde.
Neue Transaktionen werden als nächstes zu einem neuen Block zusammengefasst und dem bestehenden Hashwert hinzugefügt. Dies wird dann verschlüsselt, um einen neuen Hash für den neuen Block zu erstellen. Dies wird der nächsten Liste von Transaktionen hinzugefügt, wenn sie verschlüsselt sind, und so weiter. Das Ergebnis ist eine Kette von Blöcken, die jeweils die Hashwerte aller vorangegangenen Blöcke enthalten – daher der Begriff Blockchain.
Alle Computer, die diese Blöcke speichern, vergleichen regelmäßig ihre Hash-Werte, um sicherzustellen, dass sie alle übereinstimmen. Jeder Computer, der nicht einverstanden ist, verwirft die Datensätze, die das Problem verursachen.
Dieser Ansatz ist gut, aber nicht perfekt. Eine Möglichkeit, dieses System auszutricksen, besteht darin, dass ein unehrlicher Benutzer die Liste der Transaktionen zu seinen Gunsten ändert, aber auf eine Weise, die den Hash unverändert lässt. Dies kann per Brute-Force geschehen, also durch Ändern eines Datensatzes, Verschlüsseln des Ergebnisses und Prüfen, ob der Hash-Wert gleich ist. Und wenn nicht, versuchen Sie es immer und immer wieder, bis es einen passenden Hash findet.
Die Sicherheit von Blockchains basiert auf der Überzeugung, dass gewöhnliche Computer diese Art von Brute-Force-Angriffen nur über Zeiträume durchführen können, die völlig unpraktisch sind, wie zum Beispiel das Alter des Universums. Im Gegensatz dazu sind Quantencomputer viel schneller und stellen daher eine viel größere Bedrohung dar.
Kiktenko und Co. haben eine Lösung, die solche Quantenangriffe verhindert. Ihre Blockchain-Technologie ist subtil anders. Eine Transaktion zwischen zwei Personen enthält die Informationen über den Absender, den Empfänger, den Zeitpunkt der Erstellung, den zu überweisenden Betrag und eine Liste von Referenztransaktionen, die rechtfertigen, dass der Absender über ausreichende Mittel für die Transaktion verfügt.
Diese Transaktion wird dann an alle Computer im Währungsnetzwerk gesendet, die sie bis zu einem vorher vereinbarten Zeitpunkt – sagen wir 10 Minuten – speichern, wenn die Transaktionen zu einem Block zusammengefasst werden.
Die nächste Stufe verwendet einen Algorithmus, der es allen Parteien ermöglicht, sich darauf zu einigen, dass die Liste der Transaktionen ehrlich ist. Dies basiert auf Beweisen aus den 1980er Jahren, in denen jeder zuerst seine Informationen mit allen anderen Computern teilte. Als nächstes kommunizieren sie die Informationen, die sie von den anderen Parteien im Netzwerk erhalten haben, sodass jeder sehen kann, wer was gesagt hat. Die Parteien teilen diese Informationen dann in einer weiteren Runde und so weiter, bis sie sich einig sind, dass alle Computer die gleichen Informationen haben.
Der Beweis ist, dass es immer möglich ist, einen Konsens in weniger Runden zu erzielen, als es Parteien gibt, vorausgesetzt, dass mindestens zwei Drittel der Parteien ehrlich sind.
Aber wie kann Alice in einem solchen System sicher sein, dass sie Informationen von Bob erhält und umgekehrt? Ohne diese Gewissheit ist es für einen böswilligen Benutzer einfach, das System zu manipulieren, indem er vorgibt, viele verschiedene Benutzer zu sein.
Hier kommt die Quantenmechanik ins Spiel. Alice und Bob können die Identität des anderen mit einer Technik namens Quantenschlüsselverteilung verifizieren. Diese sendet Informationen mithilfe von Quantenteilchen wie Photonen, die von einem Lauscher nicht kopiert werden können, ohne sie zu zerstören. Auf diese Weise können sich Alice und Bob ihrer Identität sicher sein.
Das Fundament des Systems von Kiktenko und Co. ist also ein Quantenidentifikationssystem, in dem jede Partei die Identität der anderen auf eine Weise überprüfen kann, die durch die Gesetze der Physik garantiert wird. Diese Quantensignatur wird an jede Transaktion angehängt, was eine Manipulation unmöglich macht.
Kiktenko und Co. sagen, dass sie ein solches System mit einem kommerziell erhältlichen Quantenkryptografiesystem der Schweizer Firma ID Quantique gebaut haben. Wir haben ein Blockchain-Protokoll mit informationstheoretisch sicherer Authentifizierung entwickelt, das auf einem Netzwerk basiert, in dem jedes Knotenpaar durch eine Quantenschlüsselverteilungsverbindung verbunden ist, heißt es.
Und sie haben es in einem Netzwerk von vier Benutzern getestet, von denen einer versucht, das System durch doppelte Ausgaben zu spielen. Dieses Protokoll eliminiert [die] Doppelausgaben-Transaktion nach der zweiten Kommunikationsrunde und erlaubt die Bildung eines Blocks, der nur legitime Transaktionen enthält, sagen Kiktenko und Co.
Das ist ein interessantes Proof-of-Principle-Experiment, das zeigt, wie Quantentechniken zur Sicherung von Blockchain-Technologien eingesetzt werden können.
Aber es ist nicht perfekt. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass weniger als ein Drittel der Parteien unehrlich ist. Wenn mehr als ein Drittel der Benutzer zustimmen, das System zu spielen, wird es trivial, dies zu tun.
Es gibt auch erhebliche technologische Hürden, um dieses System in größerem Maßstab zum Laufen zu bringen. Nicht zuletzt die Schaffung eines Quanteninternets, um diese Art von Transaktionen über große Entfernungen zu ermöglichen. Das ist eine Herausforderung, die gemeistert werden sollte, da sie derzeit von Forschern auf der ganzen Welt angegangen wird.
Die Bedrohung durch Quantencomputer ist sicherlich real – und nicht nur für die Blockchain-Technologie. Alle Informationen, die derzeit mit herkömmlicher Kryptographie gespeichert werden, werden unsicher, sobald der erste ausreichend leistungsfähige Quantencomputer eingeschaltet wird.
Angesichts des plötzlichen Ansturms auf die Verwendung von Kryptowährungen wäre es eindeutig nützlich, die Technologie zukunftssicher gegen diese Quantenbedrohung zu machen.
Ref: arxiv.org/abs/1705.09258 : Quantengesicherte Blockchain