Google đang gây sốc trong cộng đồng công nghệ khi công bố Willow – chip lượng tử có thể giải được phép tính siêu khó trong vòng 5 phút mà siêu máy tính mạnh nhất thế giới hiện nay cần tới 10 triệu tỉ tỉ năm mới hoàn thành.
Sức mạnh của Willow ngay lập tức trở thành nỗi lo lớn với cộng đồng blockchain. Nhiều người sợ với khả năng kinh ngạc của chip lượng tử, các thuật toán mã hóa hiện đại sẽ bị phá vỡ. Mạng Bitcoin bị đe dọa, ví tiền điện tử của người dùng có thể bị “bẻ khóa” trong tích tắc. Tính năng quan trọng bậc nhất của tiền mã hóa là bảo mật sẽ bị gặp nguy.
Tuy nhiên trước khi trả lời cho câu hỏi chip lượng tử có đủ mạnh để phá vỡ các thuật toán bảo mật của Bitcoin, chúng ta cần hiểu rõ cơ chế hoạt động của cả hai.
Máy tính lượng tử mạnh đến mức nào?
Sức mạnh vượt trội của máy tính lượng tử so với siêu máy tính nằm ở cách xử lý thông tin. Hệ thống máy tính truyền thống hoạt động bằng cách sử dụng bit nhị phân (0 và 1) để thực hiện các phép tính tuần tự, thông qua tiến trình tuyến tính.
Còn máy tính lượng tử dùng qubit, có thể tồn tại ở trạng thái chồng chập (cả 0 và 1 cùng lúc). Khi qubit được xếp chồng, chúng tương tác ngay lập tức, cho phép hệ thống xử lý nhiều phép tính song song. Điều này cho phép máy tính lượng tử thực hiện tốt các nhiệm vụ chuyên biệt, chẳng hạn như các bài toán tối ưu hóa, mô phỏng phân tử và thử nghiệm mật mã. Trong khi các hệ thống máy tính truyền thống không đáp ứng được nhiệm vụ này do các ràng buộc tuyến tính.
Minh họa mạng Bitcoin trước sức mạnh của máy tính lượng tử
Việc chip Willow của Google ra đời không chỉ mang đến ý nghĩa về sức mạnh của điện toán lượng tử mà nó mở ra nhiều tiềm năng lớn hơn trong việc giải quyết những thách thức trước đây được gắn nhãn “không thể vượt qua”. Nhưng nó cũng làm dấy lên mối lo ngại về tác động của chúng đối với thuật toán mật mã, trong đó nổi bật là tiền điện tử. Bitcoin và nhiều hệ thống blockchain đang dựa vào thuật toán mật mã được thiết kế để phòng thủ vững chắc trước các cuộc tấn công cổ điện. Nhưng sức mạnh của điện toán lượng tử đã làm dấy lên nhiều mối lo tiềm tàng.
Cơ chế bảo mật của Bitcoin: Khóa công khai và khóa riêng tư
Bitcoin dùng thuật toán chữ ký số mật mã đường cong Elliptic (ECDSA – Elliptic Curve Digital Signature Algorithm), nhằm xây dựng Private Key (khóa riêng tư) và Public Key (khóa công khai). Trong khi khóa công khai được chia sẻ rộng rãi như một địa chỉ để có thể nhận Bitcoin, khóa riêng tư được giữ bí mật tối đa và được dùng để ký giao dịch, chứng minh quyền sở hữu và cho phép chuyển tiền.
Tiền đề bảo mật của ECDSA nằm ở bài toán nổi tiếng Logarit Rời Rạc Đường Cong Elliptic, chứng minh từ khóa công khai, không thể tìm được khóa riêng tư. Nói cách khác, ngay cả các siêu máy tính hiện nay cũng không thể dò ra khóa riêng tư của người dùng Bitcoin, do đó việc làm giả chữ ký hoặc cố gắng bẻ khóa để truy cập vào ví Bitcoin gần như không thể. Đó là lý do vì sao quy trình tạo khóa riêng tư, khóa công khai được xem là an toàn.
Cách máy tính lượng tử đe dọa cơ chế phòng thủ của Bitcoin
Mặc dù thuật toán ECDSA được đánh giá an toàn nhưng hai thuật toán lượng tử là Shor và Grover lại có khả năng làm suy yếu sức mạnh của cơ chế bảo mật này.
Thuật toán Shor có thể phá vỡ các hệ thống mật mã như ECDSA bằng cách giải quyết nhanh các vấn đề như phân tích thừa số nguyên, cho phép tìm ra khóa riêng tư từ khóa công khai. Còn thuật toán Grover cung cấp tốc độ tăng theo bậc hai các các hàm băm brute-forcing.
Trong trường hợp của Bitcoin, điều này sẽ làm giảm sức mạnh hiệu quả của hàm băm SHA-256, vốn được dùng trong cơ chế đồng thuận về bằng chứng công việc (Proof of Work – PoW). Hàm băm được thiết kế để không thể đảo ngược dữ liệu đầu vào từ dữ liệu đầu ra đã băm của nó.
Kháng lượng tử và hệ thống mật mã kinh ngạc của Bitcoin
Mặc dù chip lượng tử Willow của Google đánh dấu cột mốc quan trọng trong điện toán lượng tử với 105 qubit, nhưng hiện tại nó không gây ra mối đe dọa trực tiếp nào với các hệ thống mật mã của Bitcoin. Việc phá vỡ ECDSA hoặc SHA-256 của Bitcoin cần ít nhất 1.500 – 3.000 qubit logic, vượt xa khả năng của Willow. Do đó, chip lượng tử hiện tại chưa đủ khả năng để thách thức các biện pháp phòng thủ mạnh mẽ của Bitcoin.
Cấu trúc mật mã nhiều lớp của Bitcoin kết hợp ECDSA và SHA-256, đảm bảo khả năng phục hồi trước các công nghệ lượng tử ngày nay, trở thành một trong những hệ thống phi tập trung an toàn nhất. Không dừng lại ở đó, các nhà phát triển đã lường trước nguy cơ từ máy tính lượng tử nên đã thiết kế cơ chế bảo mật Hàm băm kép (Double Hash) hay còn gọi là “kháng lượng tử” để bảo toàn tính toàn vẹn của mạng Bitcoin.
Vitalik Buterin, đồng sáng lập Ethereum cũng sớm chuẩn bị phương án dự phòng cho rủi ro lượng tử. Ông đã đề xuất chữ ký Lamport để chống lượng tử, dễ triển khai nhưng cần dung lượng lưu trữ. Cấu trúc module cũng cho phép mạng blockchain Ethereum áp dụng các tiêu chuẩn mật mã mới nhanh hơn, tích hợp các thuật toán hậu lượng tử thông qua bản cập nhật cho cơ chế đồng thuận.
Hai mặt của chip lượng tử với Bitcoin
Sau khi đã phân tích kỹ về sức mạnh, cách thức hoạt động của chip lượng tử, cơ chế bảo mật của Bitcoin, chúng ta có thể kết luận rằng những đột phá về lượng tử có thể tác động đến cơ chế bảo mật của blockchain. Nó có thể gây ra nguy cơ về rò rỉ địa chỉ ví riêng tư, làm suy yếu niềm tin vào tính bảo mật của Bitcoin, phá vỡ cơ chế PoW, gây biến động giá trên thị trường.
Nhưng ở chiều ngược lại, điện toán lượng tử cũng mang lại nhiều cơ hội lớn cho Bitcoin và hệ sinh thái tiền điện tử. Đầu tiên, các tính toán cho thấy phải mất ít nhất 10 – 20 năm nữa các máy tính lượng tử có thể phá mã Bitcoin mới ra đời. Thời gian này đủ để cộng đồng tiền mã hóa nâng cấp lên các tiêu chuẩn kháng lượng tử. Tốc độ đổi mới mật mã, các thuật toán hậu lượng tử sẽ diễn ra nhanh hơn. Việc tích hợp kháng lượng tử vào các hệ thống blockchain sẽ giúp mạng an toàn hơn trước các mối đe dọa, từ đó tiếp tục củng cố niềm tin vào tài chính phi tập trung.
Cuối cùng, những đột phá về lượng tử có thể thúc đẩy các đổi mới về blockchain, chẳng hạn như ví lượng tử an toàn và hệ thống phi tập trung được tối ưu hóa cho môi trường hậu lượng tử, giải quyết tác động của chip lượng tử lên blockchain.