量子計(jì)算對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)有什么威脅

谷歌在互聯(lián)網(wǎng)上引起了軒然大波，當(dāng)它被宣稱已經(jīng)建立了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，能夠解決以前不可能的數(shù)學(xué)計(jì)算時(shí)，一些人擔(dān)心加密產(chǎn)業(yè)可能面臨風(fēng)險(xiǎn)。谷歌表示，它的實(shí)驗(yàn)是對(duì)擴(kuò)展的Church-Turing論文的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)，也被稱為可計(jì)算論文，該論文聲稱傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可以有效地執(zhí)行任何“合理”的計(jì)算模型。

什么是量子計(jì)算？

量子計(jì)算是發(fā)展計(jì)算機(jī)的研究領(lǐng)域基于量子理論原理的技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)，遵循量子物理定律，將獲得巨大的處理能力，通過處于多種狀態(tài)的能力，并利用所有可能的排列同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，這將獲得巨大的處理能力。

經(jīng)典計(jì)算VS量子計(jì)算

經(jīng)典計(jì)算在其終極層次上依賴于布爾代數(shù)所表達(dá)的原理。在任何時(shí)間點(diǎn)或位上，數(shù)據(jù)都必須以獨(dú)占的二進(jìn)制狀態(tài)進(jìn)行處理。雖然每個(gè)晶體管或電容器在切換狀態(tài)之前需要處于0或1的時(shí)間可以用十億分之一秒來測量，但是這些設(shè)備切換狀態(tài)的速度仍然是有限的。隨著我們向更小、更快的電路發(fā)展，我們開始達(dá)到了材料的物理極限以及應(yīng)用經(jīng)典物理定律的極限。除此之外，量子世界占據(jù)了主導(dǎo)地位。在量子計(jì)算機(jī)中，一些基本粒子（如電子或光子）的電荷或極化可以用來表示0或1。這些粒子中的每一個(gè)都被稱為量子比特，或者量子位，這些粒子的性質(zhì)和行為構(gòu)成了量子計(jì)算的基礎(chǔ)。

量子疊加和糾纏

量子物理學(xué)中兩個(gè)最相關(guān)的方面是疊加和糾纏原理。

疊加： 把量子位想象成磁場中的電子。電子的自旋可能與場一致，即自旋向上的狀態(tài)，也可能與場相反，即自旋向下的狀態(tài)。根據(jù)量子定律，粒子進(jìn)入一種狀態(tài)疊加，在這種狀態(tài)下，它的行為就好像同時(shí)處于兩種狀態(tài)。所利用的每一個(gè)量子位都可以是0和1的疊加。

糾纏： 在某一點(diǎn)上相互作用的粒子保持一種連接，它們可以成對(duì)地相互糾纏，這個(gè)過程稱為關(guān)聯(lián)。知道一個(gè)被糾纏的粒子的自旋狀態(tài)——向上或向下——允許一個(gè)人知道它關(guān)聯(lián)的自旋是相反的方向。量子糾纏允許量子位元之間以令人難以置信的距離相互作用（不限于光速）。

無論相關(guān)粒子之間的距離有多遠(yuǎn)，只要它們是孤立的，它們就會(huì)糾纏在一起?？偟膩碚f，量子疊加和糾纏創(chuàng)造了一個(gè)巨大的增強(qiáng)計(jì)算能力權(quán)力。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在任何給定時(shí)間只能存儲(chǔ)四種二進(jìn)制配置（00、01、10或11）中的一種，即2-量子位量子計(jì)算機(jī)中的寄存器可以同時(shí)存儲(chǔ)所有四個(gè)數(shù)字，因?yàn)槊總€(gè)量子位代表兩個(gè)值。如果增加更多的量子位元，增加的容量就會(huì)成倍地?cái)U(kuò)大量子計(jì)算機(jī)的難題。干擾

在量子計(jì)算的計(jì)算階段，量子系統(tǒng)中最輕微的干擾（比如雜散的光子或電磁輻射波）都會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算崩潰，這一過程稱為脫相干。在計(jì)算階段，量子計(jì)算機(jī)必須完全與外界的干擾隔絕。

誤差修正

考慮到量子計(jì)算的本質(zhì)，誤差修正是非常關(guān)鍵的——即使是一次計(jì)算中的一個(gè)小錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算的崩潰。

輸出儀式

與上述兩者密切相關(guān)的是，在量子計(jì)算之后檢索輸出數(shù)據(jù)是完全有可能破壞數(shù)據(jù)的。

什么是量子霸權(quán)？

據(jù)英國《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，谷歌聲稱已經(jīng)成功建造了世界上最強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。根據(jù)谷歌的研究人員的說法，這意味著通常需要1萬年以上才能完成的計(jì)算，它的計(jì)算機(jī)可以在大約200秒內(nèi)完成，這可能意味著區(qū)塊鏈及其背后的加密技術(shù)可能被破解。

加密中使用的非對(duì)稱密碼術(shù)依賴于密鑰對(duì)，即私鑰和公鑰。公鑰可以從它們的私有副本計(jì)算，但反過來不行。

這是由于某些數(shù)學(xué)問題不可能解決的緣故。量子計(jì)算機(jī)在這方面的效率更高，如果用另一種方式計(jì)算，那么整個(gè)方案就會(huì)失效?？磥砉雀桦x制造一臺(tái)可能對(duì)區(qū)塊鏈密碼學(xué)或其他加密技術(shù)構(gòu)成威脅的量子計(jì)算機(jī)還有一段路要走。

“谷歌的超級(jí)計(jì)算機(jī)目前有53個(gè)量子位，”倫敦帝國理工學(xué)院的量子計(jì)算和加密研究員Dragos Ilie說。“為了對(duì)比特幣或其他大多數(shù)金融系統(tǒng)產(chǎn)生影響，至少需要1500個(gè)量子位，而且系統(tǒng)必須考慮到所有這些量子位的糾纏”。

同時(shí)，根據(jù)Ilie的說法，擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)是“一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)”。

包括比特幣架構(gòu)在內(nèi)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)依賴于兩種算法：用于數(shù)字簽名的橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）和作為哈希函數(shù)的SHA-256。量子計(jì)算機(jī)可以使用肖爾算法從你的公鑰中獲取你的私鑰，但最樂觀的科學(xué)估計(jì)認(rèn)為，即使這是可能的，在這近十年內(nèi)也不會(huì)發(fā)生。

在量子計(jì)算機(jī)上，一個(gè)160位的橢圓曲線密鑰可以用大約1000個(gè)量子位來破解，而RSA的1024位模數(shù)需要2000個(gè)量子位”。相比之下，谷歌微不足道的53位仍然無法與這種密碼術(shù)匹敵。

但這并不是說沒有理由驚慌。雖然區(qū)塊鏈應(yīng)用程序使用的本地加密算法目前是安全的，但事實(shí)是量子技術(shù)的進(jìn)步速度正在加快，假以時(shí)日，這可能會(huì)構(gòu)成威脅。谷歌的研究人員說：“我們預(yù)計(jì)他們的計(jì)算能力將繼續(xù)以雙指數(shù)速度增長”。

量子密碼學(xué)？

量子密碼學(xué)利用物理學(xué)來開發(fā)一個(gè)完全安全的密碼系統(tǒng)，在不知道消息的發(fā)送者或接收者的情況下，不會(huì)受到攻擊。

量子這個(gè)詞本身指的是物質(zhì)和能量的最小粒子的最基本的行為。量子密碼系統(tǒng)與傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)的不同之處在于，它的安全模型更依賴于物理而不是數(shù)學(xué)。

從本質(zhì)上講，量子密碼學(xué)是基于利用單個(gè)粒子/光波（光子）及其固有的量子特性來開發(fā)一個(gè)不可攻破的密碼系統(tǒng)（因?yàn)椴桓蓴_該系統(tǒng)就不可能測量任何系統(tǒng)的量子狀態(tài)）。

量子密碼學(xué)使用光子來傳輸密鑰。一旦密鑰被傳輸，就可以使用普通的密鑰方法進(jìn)行編碼。但是光子是如何成為鑰匙的呢？如何將信息附加到光子的自旋上呢？

這就是二進(jìn)制代碼發(fā)揮作用的地方。每種類型的光子自旋代表一條信息——通常是二進(jìn)制碼的1或0。這段代碼使用1和0組成的字符串來創(chuàng)建一致的消息。例如，11100100110可以與h-e-l-l-o對(duì)應(yīng)。所以二進(jìn)制代碼可以分配給每個(gè)光子——例如，一個(gè)具有垂直自旋（|）的光子可以分配給一個(gè)1。

蘇黎世理論物理研究所的物理學(xué)家雷納托·雷納說：“如果你建對(duì)了，沒有黑客能黑掉這個(gè)系統(tǒng)。問題是正確地建造它意味著什么？”。常規(guī)的非量子密碼可以以多種方式工作，但通常情況下，消息是被打亂的，只能使用秘密密鑰進(jìn)行解密。關(guān)鍵是要確保你想要隱藏你的信息的人不會(huì)拿到你的密鑰。在現(xiàn)代密碼系統(tǒng)中，破解私鑰通常需要計(jì)算出一個(gè)數(shù)字的因數(shù)，這個(gè)數(shù)字是兩個(gè)大得離譜的素?cái)?shù)的乘積。

這些數(shù)字被選得如此之大，以至于在給定計(jì)算機(jī)處理能力的情況下，一個(gè)算法分解它們的乘積所需的時(shí)間將超過整個(gè)宇宙的壽命。且我們不得不承認(rèn)加密技術(shù)有其弱點(diǎn)。并且某些產(chǎn)品就是碰巧比其他產(chǎn)品更容易分解。此外，摩爾定律不斷提高著我們電腦的處理能力。更重要的是，數(shù)學(xué)家們?cè)诓粩嗟亻_發(fā)新的東西允許更容易因式分解的算法。

量子密碼學(xué)避免了所有這些問題。在這里，密鑰被加密成一系列光子，這些光子在試圖共享機(jī)密信息的雙方之間傳遞。海森堡測不準(zhǔn)原理指出，對(duì)手無法在不改變或摧毀光子的情況下觀察它們。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室從事量子密碼學(xué)研究的物理學(xué)家理查德·休斯（Richard Hughes）說：“在這種情況下，不管對(duì)手有什么技術(shù)，他們永遠(yuǎn)都無法打破物理定律。”