Как создать квантовый блокчейн для путешествий во времени

Дел Раджан и Мэтт Виссер из Университета королевы Виктории в Веллингтоне недавно опубликовали работу, в которой был предложен проект блокчейна, основанного на квантовых принципах. Речь в ней идет не о создании квантового уровня поверх существующего блокчейна или об инновационной защите от взлома с помощью квантовых компьютеров. Ученые предложили создать блокчейн, в основу которого будет положена сеть запутанных состояний. И этот блокчейн будет развернут не в пространстве, а во времени. По сути они предлагают создать квантовую машину времени.

В основе современной квантовой механики лежит знаменитый двухщелевой эксперимент, который впервые осуществили в 1920-е и с тех пор был многократно улучшен и воспроизведен.

Представим, что у нас есть две пластины, одна из которых (пластина А) находится в нескольких метрах перед другой (пластиной В). Находящаяся впереди пластина А представляет собой твердый экран, в котором проделана щель шириной в одну песчинку. На пластину В нанесено специальное покрытие, которое фиксирует, куда попадают песчинки.

1/5

У нас есть специальный пулемет, стреляющий песком. Если мы отойдем на несколько метров назад и начнем стрелять песчинками по нашей установке, на пластине В появится такой узор:

1/5

Давайте теперь прорежем в передней пластине вторую щель, как показано на рисунке. Снова пустим в дело наш пескомет. По идее, на пластине В теперь должен появиться такой узор:

1/5

Пока что все идет по плану. Однако теперь давайте заменим пескомет на фотонную пушку. Закроем вторую щель, оставив открытой только первую, и начнем стрелять по установке фотонами. Получается такой узор:

1/5

Теперь откроем вторую щель. Казалось бы, узор должен быть таким же, как если бы мы стреляли песком. Однако вместо этого наблюдается следующая картина:

1/5

Это называется интерференционным узором, который обычно возникает при наложении друг на друга волн (например, звуковых). Подобный эффект можно наблюдать с кругами на воде: если вы бросите два камешка в разные концы небольшого пруда, то в какой-то момент волны, поднятые этими камешками, столкнутся и перемешаются.

1/5

Стоп — мы же пропускаем сквозь пластины по одному фотону. Один фотон не может интерферировать сам с собой. Каким образом единичные фотоны, проходя через одну щель, создают такой узор?

Однако и это еще не самое странное. Давайте слегка изменим условия эксперимента и установим позади пластины А детектор, который сможет определить, через какую именно щель прошел наш фотон. Таким образом мы сможем доказать, что он не прошел одновременно сквозь обе щели. Мы повторяем эксперимент, и видим, что результат снова совершенно невероятен:

1/5

У нас получился узор, который мы ожидали увидеть в предыдущей попытке. Фотон перестает выдавать интерференционный узор, и мы видим ту же картину, что была в эксперименте с песком. Как только мы установили детектор, следящий за фотоном, его поведение изменилось!

Этот эксперимент в той или иной форме проводился много раз и всегда с одинаковым исходом. Говоря кратко, в щелевом эксперименте:

На этом и основана квантовая физика. Частица одновременно проходит по всем доступным путям и интерферирует сама с собой. Она существует в обоих направлениях, пока мы не пытаемся за ней проследить, в каком случае она выбирает один вариант.

Частицы находятся в суперпозиции всех возможных состояний (по крайней мере, пока они не измерены). Это не значит, что частица может быть либо в состоянии А, либо в состоянии В, и мы не знаем этого до проведения измерения. Это буквально значит именно то, что частица одновременно находится и в состоянии А, и в состоянии В, и в результате измерения выбирает одно из них.

Все это полностью противоречит нашему обыденному представлению о мире.

Чтобы понять, как устроен наш новый блокчейн, попробуем разобраться еще в одном понятии квантовой физике — квантовой запутанности. Квантовая запутанность — это ситуация, в которой две запутанные частицы остаются взаимозависимыми в одной системе, даже если расстояние между ними огромно.

Представим, что у нас есть частица А и частица В. Берем частицу А, запутываем ее с частицей В и разносим их в пространстве на световые годы. Не забудьте, что как говорилось выше, эти частицы представляют собой суперпозиции всех возможных состояний, то есть они одновременно вращаются и по часовой стрелке, и против. Если мы, разделив частицы, замерим спин частицы А и обнаружим, что она вращается по часовой стрелке, то тот, кто спустя мгновение замерит спин частицы В, увидит, что она вращается против часовой.

Запутанность означает, что вне зависимости от расстояния, которое их разделяет, В всегда каким-то образом знает, какой вариант выбрала А.

Как запутать фотоны? Направьте лазер на нелинейный оптический кристалл, и один из миллиарда фотонов расщепится и превратится в два запутанных фотона.

Вернемся к проекту нашего блокчейна. Оказывается, что частицы могут оставаться запутанными не только в пространстве, но и во времени. Частица В может взаимодействовать с частицей А, даже если этой самой частицы А больше не существует.

Исходя из этого Раджан и Виссер предлагают концепцию блокчейна, в котором блоки — это не блоки данных, образующие цепочку в данный момент, а, скорее, запутанные друг с другом во времени фотоны, более старые из которых отсутствуют в настоящем, но продолжают взаимодействовать с теми фотонами, что существуют сейчас.

В традиционном блокчейне группа прежних транзакций, произошедших приблизительно в один момент, объединяется в блок данных, получает «временной штамп», встраивается в цепочку и прикрепляется к предыдущему блоку. Если хакер решит изменить данные в этом блоке, ему придется взломать хеш-функцию, что очень сложно.

Чем старше блок, тем труднее его взломать, так как придется вскрыть и все последующие блоки, ведущие к этому. Есть валидирующие ноды, которые при участии алгоритмов поощрения и консенсуса подтверждают, что внесенные данные соответствуют действительности, и за счет этого сеть остается децентрализованной.

У предлагаемого квантового блокчейна будут те же функции, что и у традиционного (блоки, данные, временные штампы), только осуществляться они будут благодаря квантовым методам. Цель у квантового блокчейна тоже будет такой же — подтверждение блоков данных, которые хранятся в децентрализованной сети.

В нашем новом блокчейне кодирование данных будет происходить с помощью не битов, а кубитов. Кубит — это наименьший элемент хранения информации в квантовом компьютере, который может относиться к различным частицам и состояниям. В отличие от битов, которые могут быть равны либо 0, либо 1, кубит одновременно равен и тому, и другому. То есть кубит — это, например, электрон, спин которого одновременно направлен и вверх, и вниз. Это пример суперпозиции, о которой говорилось выше. В нашем новом блокчейне кубитами будут фотоны.

Как записываются в блок реальные данные? Это происходит благодаря процессу, который называется сверхплотное кодирование. Сверхплотное кодирование — это метод, позволяющий передать два бита информации (00, 01, 10 или 11) с помощью одного кубита.

Давайте представим, что Алиса хочет отправить сообщение Бобу. Посылаются два запутанных кубита — один Алисе, другой Бобу. В зависимости от того, какое двухбитное послание Алиса хочет послать, она с помощью квантового вентиля переводит запутанность между двумя кубитами в состояние Белла. Состояние Белла — это способ измерения квантовой запутанности между фотонами. Всего есть 4 таких возможных квантовых состояния запутанных частиц, что равняется 4 двухбитным комбинациям.

Затем Алиса пересылает свой кубит Бобу, который может измерить состояние Белла между двумя кубитами и расшифровать двухбитное послание Алисы. Например, если измеряемое состояние Белла равно Х, он знает, что Алиса послала комбинацию битов 00. Если состояние Белла равно У, Алиса послала 01. И так далее.

Это хорошее объяснение. На самом деле наш блокчейн основан на чуть более новой теории, в которой Бобу уже не нужны кубиты для измерения состояния Белла, потому что он может измерить его, располагая только самой запутанностью. Но принцип тот же.

Блок данных в нашем новом блокчейне называется GHZ-состоянием (состоянием Гринберга-Хорна-Зейлингера). GHZ-состояние — это, по сути, набор запутанностей всех фотонов в данном блоке. Если вмешаться в поведение хотя бы одного из этих фотонов, распадается все GHZ-состояние.

Теперь давайте поэтапно посмотрим, как происходит внесение и подтверждение информации в квантовом блокчейне.

1/5

В классическом блокчейне менять предыдущие блоки сложно и дорого. В квантовом блокчейне, размещенном в физическом пространстве, менять блоки еще сложнее, так как они запутаны, и изменение старого блока разрушает запутанность и делает недействительным весь блокчейн.

В нашем новом временном квантовом блокчейне защита от взлома еще лучше — старые ноды не могут быть изменены, поскольку они больше не существуют. В лучшем случае, хакер может попытаться взломать текущий блок. Но любая попытка изменения текущего блока приводит к тому, что вы заглядываете внутрь этого блока, в результате чего разрушается запутанность и весь блокчейн целиком становится недействительным.

Данный временной блокчейн основан на запутанности между фотонами, которые никогда одновременно не сосуществовали, и все же между ними есть взаимосвязь, существующая в данный момент.

Другими словами, этот блокчейн связывает текущий блок не просто с предыдущей записью, а с предыдущей записью, которой больше не существует. Если вы захотите измерить существующий сейчас фотон, вы измените фотон, которого больше нет в природе.

Сформулируем это еще один раз:

Блоки связаны не с предыдущими блоками, которые хранятся в блокчейне, а с блоками, которые существовали в прошлом, но сейчас их нет. То есть запутанность — это путешествие в прошлое.

Этот блокчейн в буквальном смысле слове меняет события, которое уже произошли. Такое трудно осознать, потому что это настоящее путешествие во времени. Создатели этого блокчейна называют его «квантовой машиной времени».

И все это реально существует?

Пока что новый блокчейн — это только концепция, которую еще предстоит реализовать. Но, по словам Раджана и Виссера, «все подсистемы этого проекта уже были экспериментально подтверждены». Так что, да, с научной точки зрения это реально. Но нет, такого блокчейна еще не существует.