密码杀手，量子计算或将导致区块链行业的覆灭

【菜鸟区块链】

文丨马库斯
导语

考虑到当下的计算技术，区块链的分布式账本在正常情况是“不可攻破的”。这是区块链的核心特性之一。然而，它的有效性在很大程度上取决于“技术状态”假设。如果计算领域发生重大的转变，目前基于区块链的系统可能会受到超越我们认知的威胁。这时区块链又将何去何从？

随着物理学家在构建可操作量子计算机方面取得的进展，威胁正在悄悄降临。量子计算机在密码算法上的表现优于传统计算机，让这种担忧变得更加实际。未来基于量子技术的设备能否“杀死”区块链的问题是我们不得不面对的。

什么是量子计算？

量子计算机是利用量子力学原理进行计算的设备。为了存储和操作数据信息，普通计算机使用称为比特的二进制单位，它可以表示两种可能的状态:0或1。量子机器依赖于量子比特(或量子位)，它可以同时是0和1。这种现象称为叠加，它使得这些设备执行某些任务的速度远远快于基于比特的设备。

量子理论的另一个基本术语是纠缠。当两个粒子纠缠在一起时，它们以相同的量子态存在，如果其中一个粒子的状态发生变化，那么无论这两个粒子在物理空间中的距离有多远，它的状态都会发生相应的变化。以这种方式配对量子比特，可使量子计算机的计算能力呈指数增长。

叠加态是进行量子计算所必需的，这种状态很难达到，也很难维持。物理学家使用激光和微波光束将量子比特置于这种工作状态，然后使用一系列技术使其免受最轻微的温度波动、噪音和电磁波的影响。由于工作环境的脆弱性，目前的量子计算机非常容易出错，在大多数操作执行之前，工作环境的脆弱性会导致叠加态在一个称为退相干的过程中消散。

量子算力是由一台机器可以同时利用多少量子比特来决定的。从上世纪90年代末第一次实验中获得的两个量子比特开始，如今谷歌操作的最强大的量子计算机可以使用多达72个量子比特。

量子计算与区块链

区块链不可篡改的特性被广泛接受，它奠定了公众对数字资产的信任，并促使区块链的大规模采用。然而，量子计算的出现可能会威胁作为区块链安全支柱的公钥加密的完整性。

虽然量子计算机的潜在应用范围很广，考虑在区块链技术和密码学的背景下，最相关的应用之一就是它能超过现有任何超级计算机运行特定算法的速度。其中就包括运行著名的Shor因子分解算法，这将导致现在绝大多数的加密技术过时。

区块链安全严重依赖于单向数学函数——这些函数易于运行，但反向计算的难度非常大。这些功能用于生成数字签名和验证分布式账本上的交易。

配备了功能性量子设备的罪犯将能够以更快的速度进行反向计算，这将使他们能够伪造签名、冒充其他用户并获得对其数字资产的访问权限。这样就可以接管更新分布式账本、操纵交易历史并进行双花攻击。这对现在的区块链技术是致命的威胁。

加密系统的设计者正在积极研究应对威胁的防范措施。

一种解决方案是用抗量子密码取代传统的数字签名，这种安全算法是专门设计用来抵御量子计算机的攻击。

另一种方法只有随着量子互联网的出现才会出现。这种未来的无线通信架构，基于远程纠缠量子粒子之间的连接，将开启大量新的区块链模型和设计。这种方法需要把区块链变成一个基于量子的系统。一个基于量子比特的区块链，不仅在空间上纠缠，而且在时间上纠缠。如果试图回溯性地改变由单个粒子随时间的状态编码的事务记录，不彻底销毁该粒子，是不可能的。然而，在量子互联网建立并运行之前，这个模型是不可能实现的。

业内人员的争论

虽然学术界提出的解决方案可能还需要几十年的时间，但量子计算和量子密码学的大量研究和开发正在进行中。业内专家们对量子威胁的紧迫性看法不一。

乐观派认为，量子计算机的确正变得异常强大，其发展速度超过了大多数人的预期。然而，他们并没有破坏区块链的能力。每当新的量子硬件发布时，它都会重新引发人们对区块链完整性的担忧，但没有证据表明量子计算可以破坏区块链。

当量子计算机发展到足以威胁到当今区块链的完整性时，安全系统将转向能够兼容它们的算法。在短期内，量子计算机并不存在破解区块链密码的真正威胁。如果这种情况真的发生了，密码学将会转向更多的量子证明算法。量子计算机要破解区块链密码至少还需要十年时间。

然而，其他人并不完全赞同这种乐观看法。他们呼吁业内需要尽快制定相应的措辞来应对潜在的威胁。

如果有人拥有一个基于量子的矿池，就会对区块链行业产生不可估量的破坏。许多公司一直致力于研究基于量子的计算技术。也许在未来5年或者更短的时间这将成为现实。

量子计算机不仅可以重新定义区块链密码算法，还将重新定义任何应用密码算法的地方，包括像在线银行网站这样更简单的东西。我们需要大量的研究和工作来减轻影响，并将区块链转移到抗量子密码学或后量子密码学。

区块链的挑战不仅在于量子计算所代表的威胁，还在于区块链将如何迁移到新的密码学版本。所有专家对量子计算机对区块链完整性构成威胁的时间给出了惊人的相似估计，时间跨度从5年到10年不等。在应对潜在的量子攻击时，他们的做法也相当一致:大多数人都认为，有必要逐步转向抗量子密码技术，并建立支持这种技术的基础设施。区块链必须进化，但量子计算技术不太可能从根本上威胁到它们的存在。

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