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一文详解:量子计算和区块链的未来

一文详解:量子计算和区块链的未来一文详解:量子计算和区块链的未来

量子计算会破坏区块链还是让它更安全?

​01 写在前面

谈到计算的未来,区块链和量子计算是最受人关注和最具争议的两个行业。虽然区块链在加密货币和密码学领域的实际应用要领先得多,但量子计算行业也在以惊人的速度增长。事实上,量子计算行业的增长率仅次于区块链,预计从 2022 年到 2027 年,该行业将以每年 25% 的速度增长。

一些专家认为,量子计算的进步可能会进一步促使区块链走向终结,因为量子计算机可以破解最先进的区块链加密技术,未来将作为一种更先进的方式来保护数据,从而取代区块链。

区块链加密和量子计算经常被绑定作密码学方面的对比。一方面是量子计算机是否能快速发展从而破解区块链,另一方面是密码学家是否能迅速提出安全的解决方案来保护自己免受量子黑客攻击。

然而,量子计算和区块链之间的关系不一定是对立的。一些研究人员认为,量子计算和区块链技术最终会融合成新技术,创建出更快、更安全并有助于解决各种问题的革命性计算解决方案。

02 什么是量子计算 ?与区块链有何不同?

对于不熟悉的人来说,量子计算是一种独特的计算类型,它利用“量子态”来解决逻辑问题,这些问题往往需要惊人的计算机处理能力,普通超级计算机根本无法解决。量子计算机不像传统超级计算机那样逐个分析问题,而可以同时分析大量潜在问题。这些计算机利用量子物理学的原理以极快的速度将错误答案数量降至最低,同时以令人难以置信的速度给出正确答案。

当前的计算机通常被称为经典计算机,由传统比特 1 位或 0位组成,两者不会同时存在。而量子计算机则是由量子比特组成的,量子叠加允许比特的两种状态同时存在。此外,与传统比特不同,量子比特可以在量子纠缠的过程中相互影响,从而为整个计算系统创建一个大的量子态。每增加一个量子比特,计算机的潜在状态数量就会增加一倍,与经典计算机相比,这些计算机具有强大的计算能力。

一文详解:量子计算和区块链的未来

▲ 量子计算使用情况

除了解决高度复杂问题,量子计算还具有改变加密世界的潜力。量子物理和量子态的性质决定了特定信息的实际状态在被干扰时会发生变化。因此,理论上,量子加密是不可破解的,因为任何信息状态如果被窃听者(或机器)查看,都将发生不可逆转的变化。然而,就像量子计算可以创造强大的加密技术一样,它也有可能破坏以前无法破解的加密形式,与区块链的存在成了一个潜在的冲突。

像 IBM 这样的公司,他们目前正在利用量子计算机来解决各种各样的问题,例如为电动汽车开发更高能量密度的电池、可减少碳排放的清洁材料,甚至在寻找可以揭示宇宙起源的粒子。

与量子计算相比,区块链是分布式账本技术,这个由密码学创建的信息账本一旦经过一系列分布式计算机(称为节点)的验证就无法有效更改。区块链使用各种共识机制—分布式节点网络,并通过“验证”信息块将其添加到区块链中。区块链完全属于经典计算领域,这意味着区块链在某个时间点只会处于单一状态。

正如业界所述,区块链技术是一种出色的工具,可通过自动执行的智能合约创建分布式应用程序,其中包括数字货币、物流和记录保存协议以及各种金融产品。

然而由于网络的限制,区块链未必有能力解决高水平计算问题。目前区块链最大的问题是交易速度缓慢,新的区块链竞相提供高效交易的解决方案。相比之下,量子计算在解决一些大而棘手的科学问题方面具有巨大潜力,但它不一定是创建消费类应用程序的好工具。

因此,可以肯定地说,量子计算和区块链是两种不同高度的技术,它们之间的相互作用可能会深刻地改变这两个行业。

03 量子计算会破坏区块链并终结加密货币吗?

德勤的一项研究表明,一次攻击可能会窃取 25% 的比特币,截止到2022年1月,窃取金额已达到了3000亿美元,随着加密货币市场规模的急剧增长,加密黑客最终窃取金额可达数亿美元 ,借助量子计算的力量,黑客们未来很有可能在导致全球经济混乱的同时摧毁整个区块链。

具体来说,目前主流的量子计算机还没有开发出Shor函数这个功能,当由量子计算机实现 Shor 函数时,理论上可以解决目前被椭圆曲线乘法隐藏的素因数,这是一种用于散列的乘法形式,目前几乎不可能反转(即发现相乘在一起形成私钥的原始数字)。

例如,研究人员计算出,用经典计算机计算和椭圆曲线乘法来确定与公钥相对应的私钥需要340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456 次基本运算,相当于数千年。

相同情况下,使用 Shor 函数的量子计算机只需 2,097,152 次基本运算即可,相当于只需要几个小时。

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量子计算除了取代区块链加密之外,另一个担忧是量子计算机可能会取代传统计算机进行加密货币挖矿。正如理论所述,如果这些计算机能够凭借超快的计算能力比传统的采矿设备(如 ASIC)更快地挖矿,这将会导致资产价格不稳定、遭受51% 攻击和挖矿权极端集中化等问题(需要澄清的是这种情况主要针对的是类似于比特币等基于PoW区块链,通常不会影响基于权益证明(PoS)的共识模型)。由于环境问题和其他因素,一些区块链如以太坊正在转向不涉及计算密集型挖矿的权益证明和其他共识模型。

尽管有这些基于数据的担忧,并非所有专家都相信量子计算将来能够有效地破解区块链并取代传统密码学。例如,一些人认为比特币中使用的 SHA-256 加密是有可能抵抗量子的,即使量子计算机能够破解当前的区块链加密方法,这也可能需要 10 到 20 年的时间,这让正在开发新的、更强大的加密方法的区块链密码学家处于领先位置。

此外,椭圆曲线加密最常见的替代方案 RSA 加密也可能是具有一定的量子抗性。虽然在传统解密方面,椭圆曲线加密被认为比 RSA 加密更安全,但专家认为在量子解密方面情况则相反。此外,即使 RSA 最终成为“可破解的量子”,软分叉和不断更改的钱包地址也能够减弱量子计算机破坏区块链或窃取加密货币的大部分可能性。

04 量子计算能否与未来的区块链融合或增强?

虽然有一部分人认为量子计算可能会破坏区块链和加密货币,但也有人认为量子加密可以与区块链相结合创建比当今协议更安全的区块链,从理论上形成对传统黑客攻击和量子计算机攻击有很强防御能力的区块链。

研究人员认为传统的区块链密码学方法(例如非对称密钥算法和利用上述提到的椭圆曲线乘法的哈希函数)可以用量子密钥代替。

量子密钥密码术,也称为量子密钥分发 (QKD),通过在光链路上以光子的形式发送光的“量子粒子”来运行。正如我们前面提到的,任何干扰操作都会取消验证交易(例如窃听者查看正在传输的光子)。为了实际有效地使用,这些量子密钥需要与一次性密码 (OTP) 加密一起使用来生成只能使用一次的密钥。

李春堂、徐寅松、唐嘉豪和刘文杰在《量子计算杂志》上发表的一篇题为《量子区块链:基于量子力学的去中心化、加密和分布式数据库》的论文详细介绍了量子计算应用于区块链的优势,特别是节点选择随机化,量子区块链协议可以取代当前随机化方法,利用量子随机数生成器来选择验证者节点,这将有效地解决当前区块链随机化问题。

该论文认为,量子区块链也有可能用一种新型的量子加密拜占庭协议取代经典拜占庭协议。虽然只是理论,但如果得以实现,那将在可以帮助抵御 51% 攻击的同时创建全新的、高度安全的基于量子加密的加密货币。

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虽然上述大部分内容指的是创建新的量子区块链,但量子技术也很可能应用在现有区块链中来增加去中心化,也可以缩短比特币、以太坊和 Solana 等主要区块链的交易时间。

在实际运用上需要解决的问题是如何让节点运营商获得量子计算和量子密钥生成功能。目前,大多数量子计算机因其昂贵的价格都仅限于实验阶段,这意味着很难通过大量节点运营商进行操作。但是我们相信这种情况会进一步得到改善,一家深圳技术公司推出了一款成本仅为 5,000 美元的小型量子计算机,成本远低于目前运行完整的以太坊节点所需的成本。

05 什么是抗量子账本?

目前,有两个公共区块链项目声称是完全抗量子的,即抗量子账本和比特币后量子。抗量子账本 (QRL) 称自己为“具有状态签名方案和最具安全性的后量子安全区块链”。

QRL 协议使用“IETF 指定的 XMSS,这是一种基于哈希的前向安全签名方案,具有极少的安全假设。” XMSS 利用 Merkle 树(哈希树)的扩展 Merkle 签名方案。基于状态的散列签名方案(如 Merkle 签名)被认为比 RSA 或椭圆曲线密码学更能抵抗量子黑客攻击。但是,如果密钥被多次使用,基于哈希状态的签名方案(如 XMSS)估计会很容易受到攻击,与其他密码学相比,这会是个劣势。

目前,美国国家标准技术研究所 (NIST) 的计算机安全资源中心正积极地对除了 XMSS,NIST, 等70 种“后量子密码学”加密技术进行研论,他们希望借此评估该项技术在民用和政府方面的优劣势。

抗量子账本声称,它的“扩展”Merkle 签名方案比传统的 Merkle 签名方案更有效、更安全,但如果没有真正有效的量子计算机对其进行破解测试,很难证实这一点。

06 什么是比特币后量子?

除了QRL 项目之外,另一个区块链项目—比特币后量子也声称可以使用基于哈希状态扩展Merkle签名方案(XMSS)来保护自己免受量子计算攻击。BPQ 是比特币区块链的一个实验分支,它使用的是量子安全数字签名而不是传统的加密技术。未来几年,BPQ 进行的研究可能会成为将抗量子加密技术引入比特币主网络的基础。

与 QRL 不同,BPQ 目前正处于研究阶段,其计划中的货币 BitcoinPQ 目前还没有被开采。

07 量子计算和区块链的未来是什么?

量子计算和区块链的未来仍是个未知数,该最终答案可能会成为未来计算机科学领域的决定性因素之一。区块链帮助互联网民主化,创造了加密货币,并以比特币和以太坊等流行区块链的形式创建了世界上最大的分布式计算机网络。

相比之下,仍处于早期阶段的量子计算有可能帮助我们解决更多具有影响力的科学和技术问题,并以我们无法预见的方式推进技术发展。如果量子计算和区块链发生冲突,那可能是一场史诗般的灾难。相反,如果密码学继续发展,能够创建越来越多的抗量子加密方法,或者如果量子加密本身被集成到区块链中,那么这些技术的结合将有助于创建一个更安全、更民主化的互联网,从而对世界产生积极影响。

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