上個月末，Google AI Quantum 等機構發(fā)布的一篇關于量子計算機進展的論文《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》引起了巨大反響，量子計算機以其遠遠超越經(jīng)典計算機的計算能力得到了廣泛關注。而這種超級計算能力也給區(qū)塊鏈領域帶來了一絲恐慌，各個社區(qū)紛紛開始擔心量子計算機會成為區(qū)塊鏈底層密碼算法的致命威脅。
一、引言
量子計算機正成為新興計算機的一個發(fā)展方向。雖然量子計算機目前還沒有成為現(xiàn)實，但也在一步一步地努力實現(xiàn)中。早在2015年，IBM 的研究員在位于紐約的實驗室中就建造了一臺有5個量子比特的量子計算機，并向公眾發(fā)布免費量子計算云服務，讓所有人都可以使用這5量子比特的量子計算機。在2019年度國際消費電子展上，IBM 展示了一臺量子計算機 IBM Q System One 模型。據(jù)報道，IBM 將很快為其 IBM Q Network 的客戶提供53量子比特的量子計算機。而谷歌在2018年美國物理學會年會上推出的 Bristlecone 量子計算芯片有72個量子比特。另外，D-Wave 也在推出其下一代的量子退火計算機。
這一切跡象表明量子計算機正在悄然而堅定地向我們走來。據(jù)美國國家標準與技術研究院（NIST）預測，在十五年左右的時間內，投入十億美元就有50%的可能性制造出一座以核電站供能的量子計算機。
二、對區(qū)塊鏈將產(chǎn)生沖擊？
一旦通用型量子計算機實現(xiàn)，即我們步入后量子時代，其帶來的影響是不可估量的。量子計算機能以其特有的并行性高效地解決傳統(tǒng)的計算困難問題。
我們知道，區(qū)塊鏈基于密碼學來保證其難以篡改性和難以偽造的特征。特別地，公鑰簽名算法 ECDSA 和哈希算法 SHA-256 等在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中有著重要應用。另外，目前網(wǎng)絡世界中的安全通信也依賴于公鑰密碼體制，包括公鑰加密體制、數(shù)字簽名體制和密鑰交換協(xié)議等。在實際應用中，主要用到 RSA 密碼系統(tǒng)、橢圓曲線密碼系統(tǒng)以及 （EC） Diffle-Hellman 密鑰交換協(xié)議等。例如，商用密碼算法 SM2 就廣泛應用于我國金融系統(tǒng)中。
以 ECDSA 為代表的公鑰密碼系統(tǒng)的安全性是以某些數(shù)論問題為基礎的，比如大整數(shù)分解問題以及群上的離散對數(shù)問題。在傳統(tǒng)的經(jīng)典計算機下，大整數(shù)分解和離散對數(shù)等問題的求解需要問題規(guī)模的（亞）指數(shù)時間，因此我們通常認為它們是計算困難的，或者說是計算不可解的。從而，在經(jīng)典計算機下，我們認為建立在這些困難問題上的公鑰密碼系統(tǒng)是（計算）安全的。即，在經(jīng)典計算機模型下，區(qū)塊鏈用 ECDSA 等密碼算法可以達到其既定的安全目標。
而量子計算機的出現(xiàn)將改變這一狀態(tài)。Shor 量子算法以及在這基礎上改進的一系列量子算法表明，大整數(shù)分解問題和離散對數(shù)等問題可以利用量子計算機在常規(guī)時間（多項式時間）內被有效解決。微軟研究院的研究人員曾表明“破解 RSA-2048 的密鑰，經(jīng)典計算機可能需要耗費10億年的時間，而量子計算機只需要100秒就可以完成”。因此，一旦量子計算機實現(xiàn)，區(qū)塊鏈中采用的 ECDSA 算法、安全通信中采用的 RSA 密碼系統(tǒng)，以及金融行業(yè)中采用的 SM2 密碼系統(tǒng)等非對稱密碼技術將被攻破。
而對于諸如 AES 的對稱密碼體制以及諸如 SHA256 的哈希算法來說，Grover 量子搜索算法的存在也迫使對稱密碼算法等選擇更長的密鑰來維持相同的安全等級。更稍顯確切地講，Grover 量子搜索算法可以使 AES 和 SHA256 等算法的安全性減半。即，量子計算機下 AES-256 的安全性相當于經(jīng)典計算機下 AES-128 的安全性。
三、結論
因此，如果不提前有所準備，一旦量子計算機研制成功，即所謂的后量子時代到來，我們目前所用的密碼技術都將受到?jīng)_擊，區(qū)塊鏈的安全性也會受到相應的影響。
眾所周知，在過去的四十年里，公鑰密碼學已經(jīng)成為全球數(shù)字通信基礎設施中必不可缺的重要部分。在諸如全球商貿、移動通信、社交網(wǎng)絡、云計算和大數(shù)據(jù)等重要應用場合，公鑰密碼學都為實體（例如個人、企業(yè)和政府部門等）間的安全通信提供了重要保障，是構建網(wǎng)絡信任體系，實現(xiàn)身份認證、電子簽名和秘密傳輸?shù)年P鍵技術。一旦量子計算機實現(xiàn)，在信息通信過程中目前所使用的保護手段將失效，我們將失去保護隱私數(shù)據(jù)和認證通信雙方的能力。
因此，量子計算給區(qū)塊鏈領域帶來的恐慌也不無道理。不過，正如論文《Quantum Supremacy Using a Programmable SuperconducTIng Processor》中指出的一樣，實現(xiàn)能破解 ECDSA 等密碼算法的通用型量子計算機還有很長的路要走，還有很多的難關需要克服。另外，諸如后量子密碼學等應對技術也在蓬勃發(fā)展。無論是區(qū)塊鏈，還是量子計算，無數(shù)的科學家、研究學者都在積極地投身在各自的陣營里，創(chuàng)造著屬于自己的技術革命，并踐行著技術改變生活的理念。
來源： 本體研究院
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