I år (2025) er det 100 år sidan det viktige fundamentet for kvantemekanikk/-fysikk vart lagt. Gjennombrotet stod den unge tyske fysikaren
Werner Heisenberg (23 år den gangen) for, og det skjedde på den isolerte og forblåste øya Helgoland, langt ute i Nordsjøen. Grunnen til at Heisenberg var der, sommaren 2025, var at han "flykta" frå ei ekstrem høysnue, og på Helgoland var det fritt for tre, planter og pollen i mange mils avstand.
Utfordringa frå Niels Bohr
Der fekk han rikeleg tid til å grubla over utfordringa særleg Niels Bohr hadde gitt han. Bohr kjøpte ikkje idéen om at eit atom kunne forståast som eit solsystem i miniatyr, med elektron som gjekk i bane rundt kjernen om lag som planetar rundt ei sol. Han fekk det ikkje til å stemma med utrekningar av energi i form av lys. Formlane føresette at elektrona krinsa rundt kjernen i visse bestemde baner og deretter hoppa på magisk vis over i ei anna. Dette spranget - "kvante-spranget" - var til då umuleg å forklara.
Berre det observerte!
Heisenberg var djupt fascinert av Einstein og hans måte å forska på: Ta utgangspunkt berre i det me ser, ikkje det me trur finst eller bør skje. Altså er observasjonar det essensielle. Heisenberg tenkte at dersom det ikkje er muleg å finna nye rørsle-lover som kan forklara elektrona sine hopp, får me halda oss til kjente rørsle-lover og heller endra måten me tenkjer om sjølve elektronet på. La oss berre beskriva det me kan observera frå utsida: intensiteten og frekvensen i lyset elektronet sender ut. Heisenberg med tabellar (matriser) som har elektrona si startbane langs linjene (vassrett) og og ankomstbane langs kolonnene (loddrett). Han reknar og reknar og får til slutt verdiane til å stemma med Bohr sine postulat. Han skriv sjølv om gjennombrotet (frå boka "Helgoland" av Carlo Rovelli):
"Med ett var jeg ikke lenger i tvil om at den nye 'kvantiske' mekanikken som beregningene mine indikerte, var konsistent.
Jeg var aldeles skrekkslagen. Jeg hadde følelsen av at jeg tvers gjennom fenomenenes overflate skuet ut mot et usedvanlig vakkert indre; jeg følte meg svimmel ved tanken på at jeg nå ble nødt til å granske denne nye rikdommen av matematisk struktur som Naturen så sjenerøst bredte ut foran meg."
"Vanvittig artikkel"
Tilbake på fastlandet tidleg i juni leverer han ein kopi av artikkelutkastet han har skrive, til professor Max Born som han er assistenten til. Han skriv til Born: "Jeg har skrevet en helt vanvittig artikkel, og jeg våger ikke å sende den til noe tidsskrift for å få den publisert". Max Born les gjennom artikkelen og sender den til Zeitschrift für Physik. Sjølv om oppdaginga til Heisenberg er revolusjonerande, er kjernen i den ganske enkel: kreftene er dei same som i klassisk fysikk, men variablane er erstatta med tabellar (eller matriser) som representerer elektronet sin posisjon.
"Knabenphysik"
Som vanleg tek det tid før nye og revolusjonerande idéar får feste, og ofte er det dei eldre og etablerte som nektar å innsjå den nye tida. I Göttingen, der Heisenberg, medstudent Pascual Jordan og professor Max Born heldt til, vart fysikken deira kalla "Knabenphysik" - fysikk for gutungar.
Historia om Werner Heisenberg si grensesprengjande oppdaging er henta frå boka "Helgoland", skriven av den italienske fysikaren Carlo Rovelli, omsett av Birgit Owe Svihus).
Kvante-datamaskiner og Bitcoin
Gjennombrotet i kvante-fysikken har lagt grunnlaget for mange av dei viktigaste innovasjonane i det siste århundret; alt frå grusomme innovasjonar som atombomba til nyttigare ting som GPS. I desse dagar er kvante-datamaskiner eit heitt tema, særleg for dei som er interesserte i Bitcoin. Grunnen er at utviklinga av kvante-datamaskiner kan gjera dagens krypteringsalgoritmar sårbare.
Nokon som forstår?
Kvantedatamaskiner fungerer på ein heilt annan måte enn våre vanlege datamaskiner. Eg skal ikkje prøva å forklara, eg har ikkje peiling. Men eg er redd mange som arbeider med utvikling av slike maskiner heller ikkje veit korleis dei fungerer. Då er me tilbake til kvantemekanikken, som eigentleg er uforståeleg, men som fungerer. Som det ofte blir sagt om kvantemekanikk: "Viss du trur du forstår det, har du ikkje forstått noko!".
Kvantedatamaskiner er framleis i ein tidleg fase, og fungerer berre i strengt kontrollerte laboratorium (f.eks. må temperaturen vera nær det absolutte nullpunktet (-273 grader C). Det blir likevel gjort store framsteg stadig vekk, og det er eit intenst kappløp mellom i første rekkje USA og Kina.
Knekking av offentleg nøkkel-kryptering
Kvantedatamaskiner vil neppe overta for vanleg datamaskinen-teknologi, til det er dei for spesielle. Men for enkelte operasjonar, som f.eks. faktorisering av tal, kan dei visa seg å bli heilt avgjerande. Og det er her trusselen mot dagens krypteringsmetodar ligg. Den absolutt vanlegaste kryperingsmetoden i bruk i dag, er basert på offentleg nøkkel-prinsippet. Det er ein såkalla asymmetrisk krypteringsmetode sidan nøkkelen for å låsa att og for å låsa opp ikkje er den same. Det er eit nøkkelpar, privat og offentleg nøkkel, som fungerer slik at informasjon kryptert med den private nøkkelen, kan låsast opp med den offentlege - og omvendt. Det er denne metoden som ligg til grunn for nesten all sikkerheit på internett i dag, frå https-protokollen til BankID.
Når skjer gjennombrotet?
I Bitcoin, og dei fleste andre kryptovalutaer, blir offentleg nøkkel brukt til å bevisa eigarskap. Å eiga ein bitcoin (eller ein del av ein bitcoin) er det same som å ha tilgangen til den private nøkkelen knytt til den aktuelle bitcoin. Å finna den private nøkkelen med utgangspunkt i den offentlege, er nærmast umuleg med dagens datateknologi. Men med vidare utvikling av kvantedatamaskiner stiller det seg annleis. Då er det på lenger sikt ikkje lenger ein trygg metode fordi slike maskiner kan rekna ut den private nøkkelen ved å kjenna den offentlege. Det store spørsmålet er når det kan komma til å skje, og kva som må gjerast for å hindra det.
Bitcoin som honningkrukke
Når så å seia all sikkerheit på nettet byggjer på offentleg nøkkel-metoden kan ein seia at Bitcoin er eit lite problem i den store samanhengen. Men Bitcoin er ei enorm honningkrukke sidan all informasjon ligg ope tilgjengeleg på nettet i form av blokkjeda. Ein relativt stor del av alle bitcoin i omløp (20-25 %) er direkte sårbare sidan den offentlege nøkkelen er lagra direkte. For resten av bitcoin, er den offentlege nøkkelen verna gjennom hash-funksjonar. Ein hash-funksjon er ein einvegs krypteringsmetode der det ikkje skal vera muleg å få tilbake utgangsinformasjonen gitt hash-verdien. Hash-metodar er rekna for å vera mykje sikrare mot kvantedatamaskiner enn offentleg nøkkel-kryptografi.
Kvantesikre metodar
Det finst meir eller mindre kvantesikre krypteringsalgoritmar, og det er eit felt det blir forska mykje på. Standardiseringsorganet NIST (National Institute of Standards and Technology) i USA har godkjent fleire slike algoritmar. I Bitcoin-miljøet er det litt ulikt syn på kor presserande utfordringa frå kvantedatamaskiner er. Enkelte slår på den store alarmklokka og meiner det er berre tida og vegen sidan utviklinga av kvantedatamaskiner har teke store steg på kort tid. Andre meiner at fungerande kvantedatamaskiner som klarer å rekna ut den private nøkkelen på bakgrunn av den offentlege, framleis er fleire tiår unna. Men som alltid er det lurt å vera føre var. Det har alt komme forslag til korleis ein kan sikra bitcoin mot kvanteangrep, og det vil heilt sikkert komma fleire. Så vil det bli mykje diskusjon om kva som er den beste måten, og korleis det skal implementerast på ein best muleg måte.
"Don't break things"
Det er vanskeleg å endra Bitcoin (koden), og som det heiter: "It's a feature, not a bug". Der mange av kryptovalutaene arbeider etter mottoet "Move fast, break things", er det motsette tilfelle med utviklinga av Bitcoin. Det er definitivt ein av styrkane til Bitcoin at det ikkje skjer raske endringar, men at endringar tek lang tid. Dei fleste endringsforslaga fører aldri fram, for det skal vera svært gode grunnar for å gjera endringar anna enn feilrettingar i programkoden.
Trusselen frå kvantedatamaskiner er nok ein svært god grunn til å gjera vesentlege endringar i koden.
