量子計(jì)算會(huì)破壞區(qū)塊鏈還是讓它更安全？

?01寫在前面

談到計(jì)算的未來(lái)，區(qū)塊鏈和量子計(jì)算是最受人關(guān)注和最具爭(zhēng)議的兩個(gè)行業(yè)。雖然區(qū)塊鏈在加密貨幣和密碼學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用要領(lǐng)先得多，但量子計(jì)算行業(yè)也在以驚人的速度增長(zhǎng)。事實(shí)上，量子計(jì)算行業(yè)的增長(zhǎng)率僅次于區(qū)塊鏈，預(yù)計(jì)從2022年到2027年，該行業(yè)將以每年25%的速度增長(zhǎng)。

一些專家認(rèn)為，量子計(jì)算的進(jìn)步可能會(huì)進(jìn)一步促使區(qū)塊鏈走向終結(jié)，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)可以破解最先進(jìn)的區(qū)塊鏈加密技術(shù)，未來(lái)將作為一種更先進(jìn)的方式來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)，從而取代區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈加密和量子計(jì)算經(jīng)常被綁定作密碼學(xué)方面的對(duì)比。一方面是量子計(jì)算機(jī)是否能快速發(fā)展從而破解區(qū)塊鏈，另一方面是密碼學(xué)家是否能迅速提出安全的解決方案來(lái)保護(hù)自己免受量子黑客攻擊。

然而，量子計(jì)算和區(qū)塊鏈之間的關(guān)系不一定是對(duì)立的。一些研究人員認(rèn)為，量子計(jì)算和區(qū)塊鏈技術(shù)最終會(huì)融合成新技術(shù)，創(chuàng)建出更快、更安全并有助于解決各種問(wèn)題的革命性計(jì)算解決方案。

02什么是量子計(jì)算？與區(qū)塊鏈有何不同？

對(duì)于不熟悉的人來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算是一種獨(dú)特的計(jì)算類型，它利用“量子態(tài)”來(lái)解決邏輯問(wèn)題，這些問(wèn)題往往需要驚人的計(jì)算機(jī)處理能力，普通超級(jí)計(jì)算機(jī)根本無(wú)法解決。量子計(jì)算機(jī)不像傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)那樣逐個(gè)分析問(wèn)題，而可以同時(shí)分析大量潛在問(wèn)題。這些計(jì)算機(jī)利用量子物理學(xué)的原理以極快的速度將錯(cuò)誤答案數(shù)量降至最低，同時(shí)以令人難以置信的速度給出正確答案。

當(dāng)前的計(jì)算機(jī)通常被稱為經(jīng)典計(jì)算機(jī)，由傳統(tǒng)比特1位或0位組成，兩者不會(huì)同時(shí)存在。而量子計(jì)算機(jī)則是由量子比特組成的，量子疊加允許比特的兩種狀態(tài)同時(shí)存在。此外，與傳統(tǒng)比特不同，量子比特可以在量子糾纏的過(guò)程中相互影響，從而為整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)大的量子態(tài)。每增加一個(gè)量子比特，計(jì)算機(jī)的潛在狀態(tài)數(shù)量就會(huì)增加一倍，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，這些計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。

量子計(jì)算使用情況

除了解決高度復(fù)雜問(wèn)題，量子計(jì)算還具有改變加密世界的潛力。量子物理和量子態(tài)的性質(zhì)決定了特定信息的實(shí)際狀態(tài)在被干擾時(shí)會(huì)發(fā)生變化。因此，理論上，量子加密是不可破解的，因?yàn)槿魏涡畔顟B(tài)如果被竊聽者（或機(jī)器）查看，都將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。然而，就像量子計(jì)算可以創(chuàng)造強(qiáng)大的加密技術(shù)一樣，它也有可能破壞以前無(wú)法破解的加密形式，與區(qū)塊鏈的存在成了一個(gè)潛在的沖突。

像IBM這樣的公司，他們目前正在利用量子計(jì)算機(jī)來(lái)解決各種各樣的問(wèn)題，例如為電動(dòng)汽車開發(fā)更高能量密度的電池、可減少碳排放的清潔材料，甚至在尋找可以揭示宇宙起源的粒子。

與量子計(jì)算相比，區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际劫~本技術(shù)，這個(gè)由密碼學(xué)創(chuàng)建的信息賬本一旦經(jīng)過(guò)一系列分布式計(jì)算機(jī)（稱為節(jié)點(diǎn)）的驗(yàn)證就無(wú)法有效更改。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂酶鞣N共識(shí)機(jī)制—分布式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)“驗(yàn)證”信息塊將其添加到區(qū)塊鏈中。區(qū)塊鏈完全屬于經(jīng)典計(jì)算領(lǐng)域，這意味著區(qū)塊鏈在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)只會(huì)處于單一狀態(tài)。

正如業(yè)界所述，區(qū)塊鏈技術(shù)是一種出色的工具，可通過(guò)自動(dòng)執(zhí)行的智能合約創(chuàng)建分布式應(yīng)用程序，其中包括數(shù)字貨幣、物流和記錄保存協(xié)議以及各種金融產(chǎn)品。

然而由于網(wǎng)絡(luò)的限制，區(qū)塊鏈未必有能力解決高水平計(jì)算問(wèn)題。目前區(qū)塊鏈最大的問(wèn)題是交易速度緩慢，新的區(qū)塊鏈競(jìng)相提供高效交易的解決方案。相比之下，量子計(jì)算在解決一些大而棘手的科學(xué)問(wèn)題方面具有巨大潛力，但它不一定是創(chuàng)建消費(fèi)類應(yīng)用程序的好工具。

因此，可以肯定地說(shuō)，量子計(jì)算和區(qū)塊鏈?zhǔn)莾煞N不同高度的技術(shù)，它們之間的相互作用可能會(huì)深刻地改變這兩個(gè)行業(yè)。

03量子計(jì)算會(huì)破壞區(qū)塊鏈并終結(jié)加密貨幣嗎？

德勤的一項(xiàng)研究表明，一次攻擊可能會(huì)竊取25%的比特幣，截止到2022年1月，竊取金額已達(dá)到了3000億美元，隨著加密貨幣市場(chǎng)規(guī)模的急劇增長(zhǎng)，加密黑客最終竊取金額可達(dá)數(shù)億美元，借助量子計(jì)算的力量，黑客們未來(lái)很有可能在導(dǎo)致全球經(jīng)濟(jì)混亂的同時(shí)摧毀整個(gè)區(qū)塊鏈。

具體來(lái)說(shuō)，目前主流的量子計(jì)算機(jī)還沒有開發(fā)出Shor函數(shù)這個(gè)功能，當(dāng)由量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)Shor函數(shù)時(shí)，理論上可以解決目前被橢圓曲線乘法隱藏的素因數(shù)，這是一種用于散列的乘法形式，目前幾乎不可能反轉(zhuǎn)（即發(fā)現(xiàn)相乘在一起形成私鑰的原始數(shù)字）。

例如，研究人員計(jì)算出，用經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算和橢圓曲線乘法來(lái)確定與公鑰相對(duì)應(yīng)的私鑰需要340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456次基本運(yùn)算，相當(dāng)于數(shù)千年。

相同情況下，使用Shor函數(shù)的量子計(jì)算機(jī)只需2,097,152次基本運(yùn)算即可，相當(dāng)于只需要幾個(gè)小時(shí)。

量子計(jì)算除了取代區(qū)塊鏈加密之外，另一個(gè)擔(dān)憂是量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行加密貨幣挖礦。正如理論所述，如果這些計(jì)算機(jī)能夠憑借超快的計(jì)算能力比傳統(tǒng)的采礦設(shè)備（如ASIC）更快地挖礦，這將會(huì)導(dǎo)致資產(chǎn)價(jià)格不穩(wěn)定、遭受51%攻擊和挖礦權(quán)極端集中化等問(wèn)題（需要澄清的是這種情況主要針對(duì)的是類似于比特幣等基于PoW區(qū)塊鏈，通常不會(huì)影響基于權(quán)益證明(PoS)的共識(shí)模型）。由于環(huán)境問(wèn)題和其他因素，一些區(qū)塊鏈如以太坊正在轉(zhuǎn)向不涉及計(jì)算密集型挖礦的權(quán)益證明和其他共識(shí)模型。

盡管有這些基于數(shù)據(jù)的擔(dān)憂，并非所有專家都相信量子計(jì)算將來(lái)能夠有效地破解區(qū)塊鏈并取代傳統(tǒng)密碼學(xué)。例如，一些人認(rèn)為比特幣中使用的SHA-256加密是有可能抵抗量子的，即使量子計(jì)算機(jī)能夠破解當(dāng)前的區(qū)塊鏈加密方法，這也可能需要10到20年的時(shí)間，這讓正在開發(fā)新的、更強(qiáng)大的加密方法的區(qū)塊鏈密碼學(xué)家處于領(lǐng)先位置。

此外，橢圓曲線加密最常見的替代方案RSA加密也可能是具有一定的量子抗性。雖然在傳統(tǒng)解密方面，橢圓曲線加密被認(rèn)為比RSA加密更安全，但專家認(rèn)為在量子解密方面情況則相反。此外，即使RSA最終成為“可破解的量子”，軟分叉和不斷更改的錢包地址也能夠減弱量子計(jì)算機(jī)破壞區(qū)塊鏈或竊取加密貨幣的大部分可能性。

04量子計(jì)算能否與未來(lái)的區(qū)塊鏈融合或增強(qiáng)？

雖然有一部分人認(rèn)為量子計(jì)算可能會(huì)破壞區(qū)塊鏈和加密貨幣，但也有人認(rèn)為量子加密可以與區(qū)塊鏈相結(jié)合創(chuàng)建比當(dāng)今協(xié)議更安全的區(qū)塊鏈，從理論上形成對(duì)傳統(tǒng)黑客攻擊和量子計(jì)算機(jī)攻擊有很強(qiáng)防御能力的區(qū)塊鏈。

研究人員認(rèn)為傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈密碼學(xué)方法（例如非對(duì)稱密鑰算法和利用上述提到的橢圓曲線乘法的哈希函數(shù)）可以用量子密鑰代替。

量子密鑰密碼術(shù)，也稱為量子密鑰分發(fā)(QKD)，通過(guò)在光鏈路上以光子的形式發(fā)送光的“量子粒子”來(lái)運(yùn)行。正如我們前面提到的，任何干擾操作都會(huì)取消驗(yàn)證交易（例如竊聽者查看正在傳輸?shù)墓庾樱?。為了?shí)際有效地使用，這些量子密鑰需要與一次性密碼(OTP)加密一起使用來(lái)生成只能使用一次的密鑰。

李春堂、徐寅松、唐嘉豪和劉文杰在《量子計(jì)算雜志》上發(fā)表的一篇題為《量子區(qū)塊鏈：基于量子力學(xué)的去中心化、加密和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)》的論文詳細(xì)介紹了量子計(jì)算應(yīng)用于區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)，特別是節(jié)點(diǎn)選擇隨機(jī)化，量子區(qū)塊鏈協(xié)議可以取代當(dāng)前隨機(jī)化方法，利用量子隨機(jī)數(shù)生成器來(lái)選擇驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)，這將有效地解決當(dāng)前區(qū)塊鏈隨機(jī)化問(wèn)題。

該論文認(rèn)為，量子區(qū)塊鏈也有可能用一種新型的量子加密拜占庭協(xié)議取代經(jīng)典拜占庭協(xié)議。雖然只是理論，但如果得以實(shí)現(xiàn)，那將在可以幫助抵御51%攻擊的同時(shí)創(chuàng)建全新的、高度安全的基于量子加密的加密貨幣。

雖然上述大部分內(nèi)容指的是創(chuàng)建新的量子區(qū)塊鏈，但量子技術(shù)也很可能應(yīng)用在現(xiàn)有區(qū)塊鏈中來(lái)增加去中心化，也可以縮短比特幣、以太坊和Solana等主要區(qū)塊鏈的交易時(shí)間。

在實(shí)際運(yùn)用上需要解決的問(wèn)題是如何讓節(jié)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)商獲得量子計(jì)算和量子密鑰生成功能。目前，大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)因其昂貴的價(jià)格都僅限于實(shí)驗(yàn)階段，這意味著很難通過(guò)大量節(jié)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行操作。但是我們相信這種情況會(huì)進(jìn)一步得到改善，一家深圳技術(shù)公司推出了一款成本僅為5,000美元的小型量子計(jì)算機(jī)，成本遠(yuǎn)低于目前運(yùn)行完整的以太坊節(jié)點(diǎn)所需的成本。

05什么是抗量子賬本？

目前，有兩個(gè)公共區(qū)塊鏈項(xiàng)目聲稱是完全抗量子的，即抗量子賬本和比特幣后量子?？沽孔淤~本(QRL)稱自己為“具有狀態(tài)簽名方案和最具安全性的后量子安全區(qū)塊鏈”。

QRL協(xié)議使用“IETF指定的XMSS，這是一種基于哈希的前向安全簽名方案，具有極少的安全假設(shè)。”XMSS利用Merkle樹（哈希樹）的擴(kuò)展Merkle簽名方案?；跔顟B(tài)的散列簽名方案（如Merkle簽名）被認(rèn)為比RSA或橢圓曲線密碼學(xué)更能抵抗量子黑客攻擊。但是，如果密鑰被多次使用，基于哈希狀態(tài)的簽名方案（如XMSS）估計(jì)會(huì)很容易受到攻擊，與其他密碼學(xué)相比，這會(huì)是個(gè)劣勢(shì)。

目前，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)的計(jì)算機(jī)安全資源中心正積極地對(duì)除了XMSS，NIST，等70種“后量子密碼學(xué)”加密技術(shù)進(jìn)行研論，他們希望借此評(píng)估該項(xiàng)技術(shù)在民用和政府方面的優(yōu)劣勢(shì)。

抗量子賬本聲稱，它的“擴(kuò)展”Merkle簽名方案比傳統(tǒng)的Merkle簽名方案更有效、更安全，但如果沒有真正有效的量子計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行破解測(cè)試，很難證實(shí)這一點(diǎn)。

06什么是比特幣后量子？

除了QRL項(xiàng)目之外，另一個(gè)區(qū)塊鏈項(xiàng)目—比特幣后量子也聲稱可以使用基于哈希狀態(tài)擴(kuò)展Merkle簽名方案（XMSS）來(lái)保護(hù)自己免受量子計(jì)算攻擊。BPQ是比特幣區(qū)塊鏈的一個(gè)實(shí)驗(yàn)分支，它使用的是量子安全數(shù)字簽名而不是傳統(tǒng)的加密技術(shù)。未來(lái)幾年，BPQ進(jìn)行的研究可能會(huì)成為將抗量子加密技術(shù)引入比特幣主網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

與QRL不同，BPQ目前正處于研究階段，其計(jì)劃中的貨幣BitcoinPQ目前還沒有被開采。

07量子計(jì)算和區(qū)塊鏈的未來(lái)是什么？

量子計(jì)算和區(qū)塊鏈的未來(lái)仍是個(gè)未知數(shù)，該最終答案可能會(huì)成為未來(lái)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的決定性因素之一。區(qū)塊鏈幫助互聯(lián)網(wǎng)民主化，創(chuàng)造了加密貨幣，并以比特幣和以太坊等流行區(qū)塊鏈的形式創(chuàng)建了世界上最大的分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

相比之下，仍處于早期階段的量子計(jì)算有可能幫助我們解決更多具有影響力的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，并以我們無(wú)法預(yù)見的方式推進(jìn)技術(shù)發(fā)展。如果量子計(jì)算和區(qū)塊鏈發(fā)生沖突，那可能是一場(chǎng)史詩(shī)般的災(zāi)難。相反，如果密碼學(xué)繼續(xù)發(fā)展，能夠創(chuàng)建越來(lái)越多的抗量子加密方法，或者如果量子加密本身被集成到區(qū)塊鏈中，那么這些技術(shù)的結(jié)合將有助于創(chuàng)建一個(gè)更安全、更民主化的互聯(lián)網(wǎng)，從而對(duì)世界產(chǎn)生積極影響。