BloQBench: A Blockchain Benchmarking Framework for Quantum Supremacy

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Computer so leistungsstark werden, dass sie Rätsel lösen können, für deren Knacken ein gewöhnlicher Supercomputer länger als das Alter des Universums benötigen würde. Dies ist die aufregende, leicht beängstigende Grenze des Quantencomputings. Betrachten Sie einen Quantencomputer nicht als eine schnellere Version Ihres Laptops, sondern als einen magischen Schlüssel, der Schlösser sofort öffnen kann, die darauf ausgelegt sind, durch normale Mittel unknackbar zu sein. Die große Frage, die sich Wissenschaftler stellen, lautet: „Woher wissen wir mit Sicherheit, wann ein Quantencomputer dies tatsächlich vollbracht hat?“

Normalerweise, wenn jemand behauptet: „Ich habe es geschafft!“, sagt er es einfach, und wir müssen ihm vertrauen. Aber in der Wissenschaft reicht Vertrauen nicht aus; wir brauchen Beweise. Das Problem ist: Wenn ein Rätsel zu schwer für einen normalen Computer ist, um es zu lösen, ist es auch zu schwer für einen normalen Computer, die Antwort zu überprüfen. Es ist, als würde man jemanden bitten, ein Labyrinth im Kopf zu lösen, und ihn dann fragen, ob er geschummelt hat, aber man selbst kann das Labyrinth nicht sehen. Diese Arbeit befasst sich genau mit diesem Problem: Wie erschaffen wir einen Test, der für einen normalen Computer unmöglich zu fälschen, aber leicht zu beweisen ist, dass er echt ist, ohne dass wir der Person vertrauen müssen, die den Test aufgestellt hat?

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Die digitale Honigfalle: BloQBench

Die Autoren dieser Arbeit, Nicholas J.C. Papadopoulos und Ramin Ayanzadeh, haben eine digitale Falle namens BloQBench gebaut. Stellen Sie sich eine riesige, öffentliche Schatzkiste vor, die auf einem globalen Netzwerk namens Blockchain sitzt (denken Sie an ein riesiges, unveränderliches öffentliches Hauptbuch, in dem jeder alles sehen kann, was passiert). Diese Kiste ist mit Geld gefüllt, aber sie ist mit 119 verschiedenen, unglaublich komplexen Schlössern gesichert.

Hier ist der magische Trick: Niemand, nicht einmal die Person, die die Kiste gebaut hat, kennt die Kombination zu diesen Schlössern. Die Schlösser werden von einem Computerprogramm (einem „Smart Contract“) generiert, das sie vor Ort erstellt und dabei eine Methode verwendet, die sicherstellt, dass keine „vorkompierten Geheimnisse“ existieren. Es ist wie ein Verkaufsautomat, der bei jedem Knopfdruck ein einzigartiges, unlösbares Rätsel zufällig ausdruckt, und die Maschine selbst vergisst die Antwort sofort wieder, nachdem sie gedruckt wurde.

Die Herausforderung? Die Schlösser basieren auf der Primfaktorzerlegung. In einfachen Worten bedeutet dies, eine riesige, durcheinandergebrachte Zahl zu nehmen und herauszufinden, welche zwei kleineren Primzahlen miteinander multipliziert wurden, um sie zu erzeugen. Für einen normalen Computer ist dies so, als würde man versuchen, einen Kuchen rückwärts zu backen, um genau die Eier und das Mehl zu finden, die verwendet wurden; es ist praktisch unmöglich bei großen Zahlen. Aber für einen Quantencomputer ist es unter Verwendung eines speziellen Algorithmus, als hätte man eine Zeitmaschine, die die Zutaten sehen kann, bevor sie gemischt wurden.

Der Schlachtplan: So funktioniert es

Der Prozess ist wie aufgebaut wie eine High-Stakes-Spielshow mit einem Twist:

1. Das Setup: Der Smart Contract generat 119 „Schlösser“. Jedes Schloss ist eine Zahl aus 4.608 Bits (eine riesige Zahl). Der Vertrag ist so konzipiert, dass die Chance, dass alle diese Schlösser von einem normalen Computer gelöst werden könnten, bei nur 1 zu einer Milliarde liegt. Das Ziel ist sicherzustellen, dass mindestens eines dieser Schlösser für einen normalen Computer wahrhaft unmöglich zu knacken ist.
2. Die Belohnung: Es gibt einen Topf mit Geld (einen „Bounty“) im Vertrag. Das Paper schlägt ein Minimum von 800.000.000 Gas (der Währung, die verwendet wird, um Transaktionen im Ethereum-Netzwerk zu bezahlen) vor, um die Kosten für das Lösen der Rätsel zu decken. Wenn der aktuelle Preis bei 23,8 Gwei pro Einheit Gas liegt, sind das etwa 19,04 ETH.
3. Das Rennen: Jeder kann versuchen, die Schlösser zu lösen. Wenn Sie einen Quantencomputer besitzen (oder ein wirklich glückliches Genie mit einem Supercomputer), können Sie versuchen, die Primfaktoren zu finden.
4. Der Anti-Cheat: Um zu verhindern, dass Leute sich gegenseitig die Antworten stehlen, nutzt das System ein „Commit-Reveal“-Schema. Sie müssen Ihre Antwort zuerst in einen digitalen Umschlag (einen Hash) einschließen und einen Tag warten. Nach diesem Tag öffnen Sie den Umschlag und zeigen die Antwort. Dies verhindert „Front-Running“, bei dem ein böswilliger Akteur Ihre Antwort sieht, die gerade ankommt, und sie stiehlt, bevor Sie den Preis beanspruchen können.
5. Der Sieg: Wenn Sie ein Schloss lösen, markiert der Vertrag es als „gelöst“. Wenn Sie das letzte, schwierigste Schloss lösen, erhalten Sie den gesamten Bounty, und eine riesige Flagge auf der Blockchain springt auf „TRUE“. Diese Flagge ist der unbestreitbare Beweis, dass die Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy) erreicht wurde.

Warum das wichtig ist: Der automatische Schalter

Der coolste Teil an BloQBench ist nicht nur das Geld; es ist das, was passiert, wenn die Flagge springt. Derzeit nutzen Blockchains „klassische“ Sicherheit (wie RSA und ECDSA), um Ihr Geld zu schützen. Diese sind sicher, bis ein Quantencomputer auftaucht und sie bricht.

Das Paper schlägt vor, dass BloQBench als automatischer Auslöser fungiert. Stellen Sie sich vor, Ihr Bankkonto hat einen Sicherheitsschalter. Solange die „Quanten-Flag“ falsch ist, nutzt die Bank die schnelle, günstige, klassische Sicherheit. Aber in dem Moment, in dem jemand das Rätsel löst und die Flagge auf „TRUE“ setzt, wechselt das System automatisch zu einem neuen, „quantensicheren“ Sicherheitssystem (unter Verwendung von etwas, das man Lamport-Signaturen nennt).

Dies ist entscheidend, da die neue quantensichere Sicherheit langsamer und teurer in der Anwendung ist. Wenn wir zu früh umschalten, verschwenden wir Geld und verlangsamen alles. Wenn wir zu spät umschalten, wird unser Geld gestohlen. BloQBench löst dies, indem es wartet, bis der Moment, in dem die Bedrohung bewiesen real ist, eintritt, und dann den Schalter sofort umlegt.

Was das Paper ausschließt

Die Autoren waren sehr sorgfältig bei dem, was sie nicht getan haben. Sie haben explizit mehrere andere Ideen ausgeschlossen:

• Keine vertrauenswürdigen Generatoren: Sie lehnten die Idee ab, einen Menschen oder ein Unternehmen die Rätsel generieren zu lassen. Wenn ein Mensch das Rätsel erstellt, könnte er ein geheimes „Backdoor“ behalten, um es selbst zu lösen, was den Beweis ruinieren würde.
• Kein „Order-Finding“: Sie erwogen ein anderes mathematisches Rätsel namens „Order-Finding“, stellten aber fest, dass es zu teuer war, es auf der Blockchain einzurichten (die Kosten beliefen sich auf über 6 Milliarden Gas im Vergleich zu ihrer Faktorisierungsmethode, die etwa 237 Millionen Gas kostete).
• Keine unverifizierbaren Rätsel: Sie lehnten „Sampling-Probleme“ (bei denen ein Computer Zufallsmuster generiert) ab, weil diese zwar schwer zu lösen, aber auch schwer zu beweisen sind, dass sie korrekt sind. Man kann nicht einfach prüfen, ob das Muster richtig ist, also funktioniert es nicht als öffentlicher Beweis.

Das Fazit

Das Paper behauptet nicht, dass Quantencomputer die Welt bereits besiegt haben. Stattdessen bietet es einen Rahmen und ein Werkzeug (BloQBench), um es zu beweisen, wenn sie es tun. Sie haben den Vertrag gebaut, ihn getestet und gezeigt, dass er funktioniert. Sie haben berechnet, dass das Lösen eines ihrer Schlösser etwa 6.110.290 Gas für die Verifizierung kosten würde, und das Lösen aller 119 Schlösser etwa 741.048.802 Gas.

Die Autoren schlagen vor, dass dieses System einen „abstimmbaren Gradienten“ schafft. Man könnte die Schlösser so gestalten, dass sie frühe Anzeichen von Quantenleistung leichter erkennen lassen, oder sie super schwer halten (wie die 4.608-Bit-Schlösser, die sie gewählt haben), um auf den Moment zu warten, in dem Quantencomputer die berühmtesten Verschlüsselungsstandards der Welt wie RSA brechen können.

Kurz gesagt: BloQBench ist ein vertrauensloses, öffentliches und automatisiertes Schiedsgericht. Es wartet darauf, dass der Quantencomputer an die Platte tritt, löst das Rätsel und legt dann sofort den Schalter um, um unsere digitale Welt zu schützen – und das, ohne dass jemand einer einzigen Person vertrauen muss. Es verwandelt das Rennen um die Quantenüberlegenheit in ein Spiel mit einem klaren Gewinner und einem garantierten Sicherheitsnetz.