Wenn Quantencomputer Blockchains bedrohen, könnten Quantenblockchains die Verteidigung sein

Eine Blockchain ist eine mathematische Struktur, die Daten im Laufe der Zeit sicher speichert. Die Idee ist im Zuge des Bitcoin-Booms berühmt geworden. Bitcoin ist auf Blockchains angewiesen, um die damit verbundenen Währungstransaktionen sicher zu speichern.

Aber dieselbe Technologie kann jede Art von Daten speichern – Versanddaten, den Fortschritt von Computerprogrammen, Smart Contracts und so weiter. Tatsächlich scheinen Blockchains zu einer der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts zu werden.

Und doch haben sie eine Achillesferse. Die Sicherheit einer Blockchain wird durch standardmäßige kryptografische Funktionen gewährleistet. Diese sind relativ sicher, da ihr Brechen enorme Rechenressourcen erfordert, die nicht allgemein verfügbar sind.

Das dürfte sich mit dem Aufkommen leistungsfähiger Quantencomputer ändern. Es wird für solche Geräte ein Kinderspiel sein, diesen kryptografischen Schutz zu brechen. Aber Quantencomputer können quantenkryptografische Codes nicht knacken, daher haben verschiedene Gruppen vorgeschlagen, Blockchains mit Quantenkryptografie zu versehen, um ihre Sicherheit zu gewährleisten.

Es gibt eine bessere, grundlegendere Lösung, sagen Del Rajan und Matt Visser von der Victoria University of Wellington in Neuseeland. Die Quantenkryptographie fügt dem Standard-Blockchain-Protokoll lediglich eine Quantenschicht hinzu. Stattdessen schlagen sie vor, die gesamte Blockchain zu einem Quantenphänomen zu machen.

Ihre Idee ist es, eine Blockchain aus zeitverschränkten Quantenteilchen zu erstellen. Das würde es einem einzelnen Quantenteilchen ermöglichen, die Geschichte all seiner Vorgänger auf eine Weise zu kodieren, die nicht gehackt werden kann, ohne sie zu zerstören. Ein solches Protokoll stützt sich auf die Gesetze der Physik, um die Sicherheit zu gewährleisten. Es führt jedoch auch zu ungewöhnlichen Nebenwirkungen. Diese dezentrale Quantenblockkette kann als eine quantenvernetzte Zeitmaschine angesehen werden, sagen Rajan und Visser.

Zuerst etwas Hintergrund. Eine Blockchain ist einfach ein Hauptbuch, das Informationen eines bestimmten Typs aufzeichnet – zum Beispiel Währungstransaktionen. Die Transaktionen werden kontinuierlich zu einer Datenbank hinzugefügt, die als Block bezeichnet wird, aber am Ende eines bestimmten Zeitraums wird der Block mit einem mathematischen Gerät, das als Hash-Funktion bezeichnet wird, verschlüsselt. Dadurch entsteht eine eindeutige Nummer, mit der die Daten exakt dargestellt werden können.

Diese eindeutige Nummer wird dann in den nächsten Block mit dem nächsten Transaktionssatz aufgenommen. Nach einiger Zeit wird alles mit der Hash-Funktion verschlüsselt, um eine neue eindeutige Nummer zu erzeugen. Dies wird dem nächsten Block hinzugefügt. Und so weiter, indem eine Kette von Blöcken erstellt wird, die alle im neuesten Block verschachtelt sind – daher der Name Blockchain.

Jeder, der versucht, die historischen Aufzeichnungen zu fälschen, müsste einen Weg finden, die Daten so zu ändern, dass das Ergebnis der Hash-Funktion nicht verändert wird. Und das ist so rechenintensiv, dass es mit einem klassischen Computer als unmöglich gilt. Aber es ist möglich mit der Art von Quantencomputern, die bald verfügbar sein werden.

Also haben Rajan und Visser einen anderen Ansatz entwickelt, der auf einer vollständigen Quantenversion einer Blockchain beruht. Das Phänomen, das ihrem Ansatz zugrunde liegt, heißt Verschränkung. Wenn zwei Quantenteilchen verschränkt sind, teilen sie die gleiche Existenz. Dies geschieht, wenn sie am selben Punkt in Raum und Zeit interagieren. Danach beeinflusst eine Messung auf dem einen sofort den anderen, egal wie weit sie voneinander entfernt sein mögen.

Was Sicherheit garantiert, ist, dass die Verschränkung außerordentlich zerbrechlich ist. Eine Messung an einem von zwei verschränkten Teilchen zerstört sofort die Verbindung. Wenn also ein böswilliger Benutzer versucht, einen der beiden zu stören, ist dies für den anderen sofort offensichtlich.

So wie sich Partikel im Raum verwickeln können, können sie sich auch im Laufe der Zeit verwickeln. So kann ein in der Gegenwart existierendes Teilchen mit einem in der Vergangenheit existierenden verschränkt werden. Und eine Messung daran beeinflusst sofort seinen Vorgänger.

Das führt zu einigen subtilen und kontraintuitiven Phänomenen. Zum Beispiel gibt es einen speziellen Quantensinn, in dem es möglich wird, die Vergangenheit zu beeinflussen. Natürlich sind dem, was damit möglich ist, enge Grenzen gesetzt. Es ist zum Beispiel nicht möglich, eine Reihe von Ereignissen in Gang zu setzen, die Ihre Großeltern töten und so sicherstellen, dass Sie nie existiert haben. Diese Art von Paradoxon ist nicht erlaubt.

Aber es wird schwieriger, zwischen Ursache und Wirkung zu unterscheiden. Ein weiterer Effekt besteht darin, dass es möglich wird, die Menge an Informationen, die im Laufe der Zeit übertragen werden können, zu erhöhen.

Es ist diese Art der zeitlichen Verschränkung, die Rajan und Visser nutzen, um eine Quanten-Blockchain zu produzieren. Die Grundidee besteht darin, Daten auf einem Quantenteilchen zu kodieren. Dies wird der erste Quantenblock.

Wenn mehr Daten verfügbar sind, werden diese mit den Daten des ersten Teilchens in einer Quantenoperation kombiniert, die sie mit einem zweiten Teilchen verschränkt. Ersterer wird dann verworfen und der Datensatz des ersten Transaktionsblocks wird mit dem zweiten Block kombiniert. Die Daten eines dritten Blocks können auf die gleiche Weise hinzugefügt werden, wodurch eine Kette entsteht.

Diese Kette ist sicher, weil jeder Versuch, sie zu manipulieren, sie sofort ungültig macht. Das ist der Vorteil der Quantenverschränkung.

Diese Quanten-Blockchain hat noch einen weiteren Vorteil: Die früheren Blöcke sind absolut manipulationssicher. Der Angreifer kann nicht einmal versuchen, auf die vorherigen Photonen zuzugreifen, da sie nicht mehr existieren, sagen Rajan und Visser. Eine zeitliche Verschränkung bietet einen weitaus größeren Sicherheitsvorteil als eine räumliche Verschränkung.

Darüber hinaus existiert der größte Teil der Technologie, mit der dies funktioniert, bereits, zumindest in Form eines Proof-of-Principle. Alle Subsysteme dieses Designs haben sich bereits als experimentell verwirklicht erwiesen, sagen Rajan und Visser.

Das ist eine interessante Arbeit, die wahrscheinlich an Relevanz gewinnen wird, wenn leistungsfähige Quantencomputer auftauchen. IBM hat bereits einen 50-Qubit-Quantencomputer, und leistungsfähigere Maschinen sind in Vorbereitung. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis sie in der Lage sind, das Vertrauen in Blockchains zu untergraben.

Aber ein wichtiger Teil der Infrastruktur, die notwendig ist, damit diese Art von Quanten-Blockchain funktioniert, ist noch nicht verfügbar: ein Quanten-Web. Dies ist ein Netzwerk, das Quanteninformationen über Quantenrouter übertragen kann, ohne seine Quanteneigenschaften zu zerstören. Diese Art von System wird derzeit entwickelt und soll in den kommenden Monaten oder Jahren in Europa, den USA und China eingeführt werden.

Tatsächlich ist die Aufgabe, ein solches System zu bauen, eher eine Ingenieursaufgabe als eine der grundlegenden Physik. Es ist also nur eine Frage der Zeit, bis eine Quanten-Blockchain möglich wird. Ob sich dieses Protokoll als das Beste herausstellt, ist natürlich eine andere Frage.

Vielleicht könnten Rajan und Visser ihre Quantenzeitmaschine sinnvoll einsetzen, indem sie herausfinden, welche Technologie in der Zukunft letztendlich triumphiert!

Ref: arxiv.org/abs/1804.05979 : Quanten-Blockchain mit Zeitverschränkung

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