為什么量子計(jì)算在區(qū)塊鏈平臺(tái)中如此重要

量子計(jì)算：這是一個(gè)讓人不舒服的概念，因?yàn)樗茈y理解。我們大多數(shù)人不知道它是什么，也不知道它是如何工作的，但我們往往會(huì)把它與黑客聯(lián)系在一起，他們利用它來(lái)破解所有現(xiàn)代加密和網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用。對(duì)于區(qū)塊鏈空間尤其如此，在這里，大多數(shù)共識(shí)協(xié)議——保護(hù)區(qū)塊鏈平臺(tái)的元素——完全依賴(lài)于加密算法。

通過(guò)本文，我希望通過(guò)解釋核心概念及其對(duì)區(qū)塊鏈平臺(tái)使用的現(xiàn)代加密方案的可能影響，來(lái)打破我們與量子計(jì)算之間的負(fù)面聯(lián)系。

在深入研究量子位、疊加和量子門(mén)之前，讓我們先來(lái)看看當(dāng)今計(jì)算機(jī)的內(nèi)部工作原理。實(shí)質(zhì)上，計(jì)算機(jī)芯片是由許多晶體管組成的。晶體管的工作原理就像一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)，結(jié)合在一起就可以進(jìn)行計(jì)算。今天，晶體管可以小到7納米，大約有60個(gè)原子那么大。英特爾（Intel）和AMD等大公司正急于進(jìn)一步縮小這些晶體管的尺寸，以便在有限的空間內(nèi)容納更多晶體管，生產(chǎn)更快的電腦。

人們總是疑惑在物理上是否有可能進(jìn)一步減小晶體管的尺寸？目前，這仍然是可能的，但有一個(gè)門(mén)檻。當(dāng)晶體管太小時(shí)，簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)機(jī)制就不能正常工作。由于量子力學(xué)，電子可能能夠通過(guò)晶體管那么這就將導(dǎo)致嚴(yán)重的計(jì)算錯(cuò)誤。為了進(jìn)一步提高處理能力，我們需要探索不同的方法。最可能和最有前途的研究領(lǐng)域是量子計(jì)算的概念。

為了進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)處理能力，我們需要探索不同的方法。量子計(jì)算帶來(lái)的最大變化是量子位的使用。與位可以處于的0和1狀態(tài)不同，量子位可以是疊加的（這意味著同時(shí)處于兩種狀態(tài)）。

為了理解它包含了什么，讓我們考慮固定狀態(tài)勢(shì)的概念。位可以表示任意給定時(shí)間點(diǎn)的一個(gè)值，可以是0，也可以是1。量子位可以同時(shí)容納這兩個(gè)值;只有當(dāng)測(cè)量時(shí)，它才會(huì)作為它們中的任何一個(gè)被觀(guān)察到。

這個(gè)特性使量子計(jì)算機(jī)能夠用相對(duì)較少的量子位執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)則需要數(shù)十億位。

此外，某些量子算法在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行是不可行的，但在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行相對(duì)容易。其中一些算法可以用來(lái)破解嵌入在我們使用的所有設(shè)備和平臺(tái)中的現(xiàn)代加密方案。

為什么這很重要？

我們今天所知道和使用的大多數(shù)加密貨幣方案并不是不可能破解的，而是根本不可能破解。今天最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)要花上數(shù)百萬(wàn)年才能破解公鑰加密，這就保證了它的安全性。使用量子位而不是位的量子計(jì)算機(jī)可以在短短幾分鐘內(nèi)破解這種加密方案，這實(shí)際上意味著在不久的將來(lái)它們將無(wú)法使用。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，研究人員正瘋狂地為后量子計(jì)算時(shí)代探索新的加密技術(shù)。

像以太坊這樣著名的區(qū)塊鏈平臺(tái)是基于前面提到的加密方案構(gòu)建的，它們的安全性很大程度上依賴(lài)于這些加密方案的剛性。作為一個(gè)案例，讓我們來(lái)分析以太坊區(qū)塊鏈平臺(tái)，并檢驗(yàn)它的量子性。

脆弱性1：生成地址

為了參與以太網(wǎng)絡(luò)，你需要一個(gè)地址和一個(gè)私鑰。首先，利用橢圓曲線(xiàn)數(shù)字簽名算法（ECDSA）生成一個(gè)公私密鑰對(duì)。然后以太方地址從公鑰的哈希值中派生出來(lái)。僅僅從以太坊地址派生完整的公鑰或私鑰是不可能的，因此將其暴露給使用量子計(jì)算機(jī)的壞角色。這對(duì)于公鑰和私鑰是不正確的，公鑰和私鑰是隱式鏈接的，理論上可以相互派生。

當(dāng)一個(gè)擁有非常、非常強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)的壞角色被提供一個(gè)簽名事務(wù)時(shí)，他能夠檢索簽名事務(wù)時(shí)使用的完整公鑰。在檢索到公鑰后，可以通過(guò)執(zhí)行一系列數(shù)學(xué)方程生成相應(yīng)的私鑰，首先生成兩個(gè)加密素?cái)?shù)。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，通過(guò)猜測(cè)幾乎不可能找到這兩個(gè)數(shù)字。然而，使用量子算法的量子計(jì)算機(jī)在理論上可以相對(duì)容易地計(jì)算它們。在找到這兩個(gè)加密數(shù)字之后，生成私鑰就是小菜一碟。

幸運(yùn)的是，今天的量子計(jì)算機(jī)還沒(méi)有達(dá)到這種速度。到目前為止，最大的因式數(shù)字甚至不接近以太坊上公鑰的可能值（由64位數(shù)字組成）。目前的加密密鑰生成方法被破壞只是時(shí)間問(wèn)題。對(duì)于區(qū)塊鏈空間來(lái)說(shuō)，這個(gè)漏洞并不是未知的，NIST（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所）正在研究一種量子安全的加密密鑰生成方法，該方法可以在將來(lái)的以太坊協(xié)議升級(jí)中實(shí)現(xiàn)。

脆弱性2：共識(shí)

以太坊區(qū)塊鏈正在運(yùn)行一種名為Ethash的PoW（工作證明）協(xié)商共識(shí)算法，這是區(qū)塊鏈安全性的重要組成部分。對(duì)于每一個(gè)新提出的塊，一個(gè)非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題的解決被附上。驗(yàn)證它的正確性幾乎不需要任何努力，而且可以由網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)人完成。從本質(zhì)上說(shuō)，這個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題可以通過(guò)反復(fù)猜測(cè)一個(gè)數(shù)字并將該數(shù)字與新塊內(nèi)容的哈希值來(lái)解決。要找到解決問(wèn)題的方法，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)最多只能有2^（n）個(gè)步驟。量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)使用Grover算法（量子算法）來(lái)更快地解決這樣一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，這將使計(jì)算步驟的數(shù)量減少到2^（n/2）。這是一個(gè)令人難以置信的進(jìn)步，但要找到解決Ethash數(shù)學(xué)問(wèn)題的方法仍然需要花費(fèi)大量的時(shí)間。從理論上講，硬件的發(fā)展可能會(huì)改變這一點(diǎn)。

幸運(yùn)的是，以太坊基金會(huì)的目標(biāo)是在2020年前用PoS取代PoW。名為Serenity的協(xié)議升級(jí)將引入這一變化，它將利用Grover的算法防止量子計(jì)算破壞網(wǎng)絡(luò)。以太坊的PoS實(shí)現(xiàn)（稱(chēng)為Casper）通過(guò)要求用戶(hù)下注一定數(shù)量的加密貨幣來(lái)提出新的塊，不再涉及前面提到的這個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，從而達(dá)成了共識(shí)。這就從那些擁有大量計(jì)算能力的人那里消除了權(quán)力的概念，這極大地促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分權(quán)程度，甚至在量子計(jì)算問(wèn)題出現(xiàn)之前就解決了它。

結(jié)論

量子計(jì)算帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)，但如果我們準(zhǔn)備好迎接它的崛起，它不太可能破壞公共區(qū)塊鏈平臺(tái)的安全。在撰寫(xiě)本文時(shí)，以太坊網(wǎng)絡(luò)的共識(shí)協(xié)議在理論上很容易受到涉及量子計(jì)算機(jī)的攻擊，但這個(gè)漏洞可能在短期內(nèi)得到解決。目前用于加密密鑰對(duì)生成的方法是一個(gè)很大的未解決的障礙，該方法有被量子計(jì)算破解的風(fēng)險(xiǎn)。

只要你保持信息靈通，你可能永遠(yuǎn)不會(huì)因?yàn)榱孔庸舳鴣G失你的密碼資金。你應(yīng)該擔(dān)心嗎？可能不需要。許多聰明人和科學(xué)機(jī)構(gòu)都在研究后量子時(shí)代的加密方案，而量子計(jì)算硬件的發(fā)展卻十分緩慢。你應(yīng)該做的是了解這些量子計(jì)算和量子證明密碼學(xué)發(fā)展的最新進(jìn)展。除此之外;請(qǐng)確保您隨時(shí)了解您所使用的區(qū)塊鏈平臺(tái)的協(xié)議升級(jí)，這可能需要您采取行動(dòng)，例如使用新引入的加密方案生成新的密鑰對(duì)。