Blockchain

Gli algoritmi quantistici distruggeranno la crittografia della blockchain?

Vi abbiamo già spiegato in passato cos’è la blockchain: un registro distribuito, immutabile e pubblico di tutte le transazioni di una certa criptovaluta. Come poi vi abbiamo spiegato nel nostro approfondimento dedicato, per rendere immutabili questa raccolta di transazioni, vengono utilizzati determinati algoritmi di crittografia. Ad oggi violare questi algoritmi è praticamente impossibile vista la complessità computazionale, ma in un futuro non troppo lontano essi potrebbero venir letteralmente “distrutti” da opportuni algoritmi quantistici funzionanti sugli omonimi processori.

Se ciò dovesse accadere, e non è per nulla improbabile, si potrebbe andare a cambiare o invalidare le transazioni contenute nei blocchi della blockchain, facendo saltare il sistema. Vediamo un po’ più nel dettaglio implicazioni e conseguenze di tale tecnologia.

Quantum Computing

Per prima cosa definiamo brevemente le basi del Quantum Computing. Innanzitutto un computer quantistico è un elaboratore che sfrutta le leggi della fisica e della meccanica quantistica –  come la sovrapposizione degli effetti e l’entanglement – per superare le barriere della tecnologia attuale e mantenere viva la Legge di Moore. Attualmente infatti, siamo molto vicini ai limiti fisici nella miniaturizzazione dei componenti. Di conseguenza, risulta estremamente complicato aumentare la potenza computazionale degli attuali processori, dato che diventerà praticamente impossibile aumentare ulteriormente la densità dei transistor nei circuiti integrati con il giusto tradeoff di costi e consumi.

Si e dunque pensato di sfruttare la meccanica quantistica per realizzare macchine con una potenza di calcolo enormemente superiore a quella dei computer convenzionali. Le applicazioni sono davvero enormi, fra cui il settore dell’intelligenza artificiale, estremamente affamato di potenza computazionale.

Per sfruttare i fenomeni quantistici però, si è reso necessario introdurre una nuova unità di informazione, ovvero il Qubit. Al posto del bit binario, in cui le unità d’informazione vengono indicate dalle cifre 0 e 1 e codificate dai due stati “aperto” e “chiuso”, nel Qubit gli elementi base dell’informazione quantistica sono codificati dallo stato quantistico in cui si trova una particella. Ad esempio, lo spin di una particella ha due stati, che possono essere usati per codificare informazioni binarie. Inoltre, a differenza del bit, gli atomi possono avere anche una sovrapposizione degli stati quantistici, ampliando quindi le possibilità di codifica delle informazioni e permettendo di affrontare problemi estremamente complessi.

Gli attuali processori quantistici sviluppati da IBM, Google, Microsoft, Intel sono arrivati a poche decine o al più centinaia di Qubit e devono operare in particolare condizioni termiche per sfruttare le proprietà quantistiche. Inoltre,  sarà necessario sviluppare anche software ed algoritmi quantistici in grado di utilizzare tali caratteristiche. Dunque la strada è ancora lunga, anche se i progressi crescono di anno in anno.

Algoritmi Quantistici

Tra gli algoritmi quantistici in fase di sviluppo e sperimentazione, ne esiste una certa tipologia, ovvero quelli di fattorizzazione di Shor. Essi potrebbero venir sfruttati per distruggere la crittografia della blockchain. Nella blockchain infatti, viene adottata l’ECDSA, Elliptic Curve Digital Signature Algorithm, che prevede che solo il responsabile di una transazione possa creare una firma digitale, mantenendo la propria chiave privata, mentre tutti possono verificarne l’autenticità sfruttando la chiave pubblica. Tale operazione è possibile tramite due procedure separate, consistenti in un algoritmo determinato da operazioni di aritmetica modulare.

Bigbit

L’ECDSA prevede che la determinazione della chiave pubblica (punto di base Q) avvenga sfruttando una moltiplicazione scalare della chiave privata per un punto di base P della curva ellittica di riferimento. però deve essere un numero primo molto grande. Perciò è necessario ripetere l’operazione di addizione e raddoppio del punto più volte sfruttando i logaritmi discreti.

algoritmi quantistici

Utilizzando valori enormi per i parametri indicati, scegliendo curve ellittiche con un’opportuna strutta adatta alla crittografia e sfruttando la complessità computazionale del problema di determinazione dei logaritmi discreti, si riesce ad ottenere un algoritmo con un livello di sicurezza da attacchi informatici classici decisamente elevato .

Sfruttando la fattorizzazione di Shor, che si basa su operazioni di aritmetica modulare simili a quelle dell’ECDSA, si possono ridurre in fattori primi numeri grandi molto più velocemente delle soluzione implementate computer classici. Su un sistema classico infatti, tali algoritmi hanno una complessità esponenziale, mentre su sistemi quantistici essa è semplicemente polinomiale. Dunque più “facile e veloce” di diversi ordini di grandezza.

Ne risulta dunque, che tutti i sistemi crittografici basati sull’ECDSA – idem alcune blockchain -, potrebbero essere violati abbastanza facilmente da algoritmi quantistici. Fortunatamente però, anche se è solo questione di tempo, per violare uno degli algoritmi più diffusi, come lo SHA-256, servirebbe un processore quantistico dotato di almeno 2330 qubit e 126 miliardi di porte di Toffoli. Ben oltre le tecnologie attuali dunque.

Nel frattempo verranno anche sviluppato algoritmi a prova di computer quantistici, come sta provando a fare Quantum Resistant Ledger. Quasi sicuramente dunque, in parallelo agli algoritmi quantistici verranno sviluppati nuovi sistemi inviolabili dai computer quantistici. Essi potranno poi venir implementati nelle blockchain delle criptovalute tramite fork, ripristinando e garantendo nuovamente l’immutabilità delle transazioni.

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Emanuele Pagliari

Ingegnere delle telecomunicazioni appassionato di tecnologia. La mia avventura nel mondo del blogging è iniziata su GizChina.it nel 2014 per poi proseguire su LFFL.org, GizBlog.it, ed ora su CryptoMinando.it. Sono nel mondo delle criptovalute come minatore dal 2013 ed ad oggi seguo gli aspetti tecnici legati alla blockchain, crittografia e dApps, anche per applicazioni nell'ambito dell'Internet of Things, la mia branca di studio.
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