Willow vượt một nút thắt, chưa phá được Bitcoin
Mới đây, trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Science, nhóm Google Quantum AI cho biết đã thực hiện thành công kỹ thuật “magic state cultivation” trên chip Willow. Có thể hiểu đây là quy trình tạo, kiểm tra và sàng lọc các trạng thái lượng tử đặc biệt, gọi là magic states, phục vụ một số phép toán trong máy tính lượng tử có cơ chế sửa lỗi. Theo Google, thành tựu mới này có thể giúp giảm khoảng 40 lần lỗi khi chuẩn bị một loại trạng thái cần thiết cho tính toán lượng tử trên chip Willow.
Máy tính lượng tử xử lý thông tin bằng qubit, những đơn vị rất nhạy với nhiễu từ môi trường và thiết bị. Để tăng độ tin cậy, nhiều qubit vật lý được kết hợp trong cơ chế phát hiện, sửa lỗi, tạo thành qubit logic. Tuy nhiên, một số phép toán còn cần nguồn cung liên tục các magic states chất lượng cao. Những trạng thái này bị tiêu thụ khi sử dụng, nên máy phải tiếp tục tạo chúng trong suốt quá trình tính toán.
“Trên bộ xử lý Willow của Google Quantum AI, quy trình của chúng tôi giảm lỗi 40 lần so với các trạng thái chưa qua quá trình tinh lọc”, hai nhà nghiên cứu Emma Rosenfeld và Craig Gidney viết. Nhóm báo cáo độ tương hợp logic của một loại trạng thái gọi là T-state đạt khoảng 99,99%.
Kết quả vẫn đi kèm một vài giới hạn đáng chú ý. Theo đó, chỉ khoảng 8% lượt chuẩn bị vượt qua toàn bộ bước kiểm tra dùng trong phép đo. Google cũng thừa nhận: “Chúng tôi vẫn cần chứng minh kỹ thuật này ở quy mô lớn hơn để có thể áp dụng vào tính toán lượng tử thực tiễn, và còn nhiều thách thức kỹ thuật”.
Thí nghiệm cho thấy một phương pháp chuẩn bị tài nguyên lượng tử đã hoạt động trên phần cứng thực. Nhưng tiến bộ ở một công đoạn chưa đủ để xác định thời điểm xuất hiện máy tính có khả năng thực hiện trọn vẹn một cuộc tấn công vào Bitcoin.
Rủi ro khác nhau
Thực tế, mối đe dọa lượng tử đối với ví Bitcoin nằm ở khả năng suy ra khóa bí mật từ khóa công khai. Khóa bí mật cho phép chủ sở hữu ký giao dịch, còn khóa công khai giúp mạng lưới kiểm tra chữ ký. Với máy tính thông thường, việc tìm ngược khóa bí mật từ khóa công khai đòi hỏi lượng tính toán không khả thi trên thực tế. Tuy nhiên, về lý thuyết, một máy tính lượng tử đủ lớn và đủ tin cậy chạy thuật toán Shor có thể giải bài toán nền tảng của cơ chế bảo vệ này.
Nếu lấy được khóa bí mật, kẻ tấn công có thể tạo chữ ký hợp lệ để chuyển tài sản. Kịch bản đó khác với việc đánh cắp ví lạnh hoặc lừa người dùng tiết lộ cụm từ khôi phục. Điểm khởi đầu của cuộc tấn công có thể là thông tin đã nằm công khai trên blockchain. Bởi vậy, cất cụm từ khôi phục trong két hoặc giữ khóa trong thiết bị ngoại tuyến có thể sẽ không còn là phương án tự giải quyết được rủi ro đối với chính thuật toán mật mã.
Ngoài ra, mỗi tài khoản Bitcoin sẽ có mức độ bảo mật khác nhau. Ví dụ, một số hình thức nhận Bitcoin thời kỳ đầu để lộ khóa công khai ngay từ khi tài sản được tạo hoặc chuyển tới. Một số định dạng khác che khóa công khai sau giá trị băm (có thể hình dung như dấu vân tay số) cho đến khi chủ sở hữu chi tiêu. Trong kịch bản tấn công lượng tử, khóa đã lộ lâu có thể cho kẻ tấn công nhiều thời gian tính toán hơn. Ngược lại, nếu khóa chỉ xuất hiện khi giao dịch, yêu cầu về tốc độ tấn công có thể khắt khe hơn.
Mặt khác, các tài khoản Bitcoin mất khóa lại đặt ra vấn đề riêng. Nếu mạng lưới bổ sung cơ chế bảo vệ mạnh hơn, người nắm giữ thông thường vẫn cần quyền kiểm soát hợp lệ để chuyển tài sản sang cơ chế mới. Người đã mất khóa không thể tự thực hiện việc chuyển này, trong khi khóa công khai của một số khoản nắm giữ cũ vẫn hiển thị trên blockchain.
Dù vậy, việc ví lâu năm hoạt động trở lại chưa phải bằng chứng tấn công lượng tử. CoinDesk dẫn trường hợp 100,02 BTC không dịch chuyển từ tháng 7/2010 được chuyển đi ngày 7/10, sau hơn 16 năm. Giao dịch này không xác nhận chủ ví hành động vì lo ngại lượng tử, cũng không chứng minh quyền kiểm soát đã rơi vào tay người khác.
Vẫn còn xa rời thực tế
Các chuyên gia nhận định, khoảng cách giữa các thí nghiệm trên Willow và khả năng trở thành một cuộc tấn công hoàn chỉnh vào các ví Bitcoin vẫn còn rất xa nhau. Theo CoinDesk, nghiên cứu Google công bố hồi tháng 3 ước tính một máy tính lượng tử siêu dẫn trong tương lai, có dưới 500.000 qubit vật lý, có thể phá cơ chế mật mã dùng trong Bitcoin và Ethereum dưới một bộ giả định phần cứng cụ thể.
Một số công trình khác tập trung giảm khối lượng tính toán của một thành phần trong cuộc tấn công. Trong khi đó, kỹ thuật mới trên Willow lại xử lý việc tạo các trạng thái cần thiết để vận hành phép toán. Các hướng nghiên cứu có liên quan, nhưng không thể nhân mức cải thiện của từng công trình để suy ra mức giảm tổng chi phí. Đặc biệt, mô hình tháng 3 đã giả định khả năng sản xuất magic states hiệu quả; kết quả mới không đồng nghĩa chi phí tấn công Bitcoin tiếp tục giảm thêm 40 lần.
Ngoài ra, yêu cầu vận hành trong các mô hình vẫn rất cao. Với một kịch bản tấn công kéo dài khoảng chín phút sau khi khóa công khai xuất hiện, theo nghiên cứu từ các chuyên gia tại Google, máy cần khoảng 500.000 magic states đủ tin cậy mỗi giây. Vì thế, đánh giá năng lực tấn công phải đồng thời xem xét tốc độ tính toán, chất lượng sửa lỗi và khả năng cung cấp tài nguyên, thay vì chỉ dựa vào số qubit.
Bởi vậy, tiến bộ trên Willow làm rõ hơn một hướng phát triển máy tính lượng tử mạnh trong tương lai, nhưng chưa chứng minh ví Bitcoin hiện có thể bị phá bằng phương pháp đó. Vấn đề đặt ra là chuẩn bị chuyển đổi bảo mật ra sao; nghiên cứu này chưa cung cấp căn cứ để ấn định ngày Bitcoin bị tấn công hay dự báo giá vì rủi ro lượng tử.