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量子霸权对区块链到底有多大威胁?

量子计算霸权与比特币区块链加密
谷歌声称开发出了具备量子霸权的量子计算机,能够解决以前不可能的数学计算任务,并在互联网上引发了巨大的冲击波。不少人担心,量子计算机的演进可能对加密行业够成威胁,甚至动摇基于其上的金融通讯基础设施。事实真是如此吗?如果量子威胁确实存在,那么距离兵临城下还有多远?量子计算是区块链加密的末日还是救赎?

什么是量子计算?

量子计算是基于量子理论原理开发计算机技术的研究领域。遵循量子物理学定律的量子计算机利用量子叠加多并行处理而获得巨大的计算能力。

经典计算与量子计算的比较

经典计算依赖于布尔代数表达的原理。数据必须在任何时间点或任何位以独占二进制状态进行处理。现在可以在十亿分之一秒的时间内测量每个晶体管或电容器在0、1切换状态的时间。随着更小,更快的电路不断被开发出来,我们开始达到或逼近材料的物理极限和经典物理定律应用的阈值。之后,就是量子计算接管的时代。在量子计算机中,可以使用许多粒子(例如电子或光子),它们的电荷或极化作用代表0和/或1。这些粒子中的每一个都称为量子位或量子位。

量子叠加与纠缠

量子物理学的两个最基础的原理是量子叠加和量子纠缠。
叠加:将量子位视为磁场中的电子。电子的自旋可以是与场域,其被称为自旋向上状态,或相反的场,这被称为自旋向下状态对准。
根据量子定律,粒子进入状态的叠加,在这种状态下,粒子的行为就像同时处于两种状态一样。每个量子位都可以是0和1的叠加。纠缠:

量子可以成对相互缠结,过程称为关联。知道一个纠缠粒子的自旋状态(向上或向下)就可以确定其配对的自旋方向相反。量子纠缠允许相隔极其遥远的距离的量子位彼此瞬时交互(不受制于光速)。
无论关联粒子之间的距离有多大,只要它们被隔离,它们都将保持纠缠状态。量子叠加和纠缠在一起可以极大地增强计算能力。普通计算机中的2位寄存器在任何给定时间只能存储四个二进制配置(00、01、10或11)之一,而
量子计算机中的2量子位寄存器可以同时存储所有四个数字,因为每个量子位代表两个值。如果添加更多的量子比特,增加的计算容量将呈指数增长。

量子计算机的困境

干扰
在量子计算的计算阶段,量子系统中的最小干扰(例如杂散光子或EM辐射波)会使量子计算崩溃,这一过程称为去相干。在计算阶段,量子计算机必须与所有外部干扰完全隔离。
错误校正
鉴于量子计算的本质,错误校正是非常关键的-即使计算中的单个错误也可能导致整个计算的有效性崩溃。
输出观察
前面两项密切相关,在完成量子计算后检索输出数据的同时可能会损坏数据。

什么是量子霸权?
据英国《金融时报》报道,谷歌声称已经成功制造出了世界上最强大的量子计算机。根据谷歌研究人员的说法,其计算性能可以在200秒内完成超级计算机通常需要一万多年才能完成计算任务,并且可能意味着区块链及其加密基础被攻破。
加密中使用的非对称加密依赖于密钥对,即私钥和公钥。可以从私钥计算公钥,但反之则不行。

这种不可行是基于常规计算机能力的数学方面的判断,而不是绝对的不可行。量子计算机能够以超常规的效率和方式进行计算,可能导致整个加密方案的失败。

但是谷歌的量子计算机真的已经对区块链密码学或其他加密构成严重威胁了吗?事情也许没有人们想象得那么糟糕:
伦敦帝国理工学院的量子计算和加密研究员德拉戈斯·伊利(Dragos Ilie)说:“谷歌的超级计算机目前有53个量子位。”

“想要对比特币或大多数其他金融系统产生任何影响,至少需要大约1500量子位,并且该系统必须将所有这些量子纠缠在一起,” Ilie说。

同时,根据Ilie的说法,进一步扩展量子计算机是一个“巨大的挑战”。
包括比特币在内的区块链网络依赖于两种算法:用于数字签名的椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)和作为哈希函数的SHA-256。一台量子计算机可以使用Shor算法来从公开密钥中获取私钥,但即使是对量子计算最乐观的科学估算也表明,量子计算破解区块链加密,即使有这种可能性,也不会在本十年内发生。
根据康奈尔大学发表相关研究论文:

“一个160位的椭圆曲线密码密钥需要一个大约1000量子位的量子计算机才能破解,而安全方面等效的1024位RSA模数则需要2000个量子位。”

显然,谷歌仅有的53个量子位仍然无法与这种加密技术相提并论,差距远比53到1000两个数字之间的距离大。
但这并不是说威胁完全不存在。尽管目前区块链应用所使用的本地加密算法是安全的,但事实是,量子技术的发展速度正在不断提高,这可能会带来威胁。谷歌研究人员说:“我们预计量子计算能力将继续以两位数的速度增长。”

量子密码学是终极解药?

即使量子计算的发展速度远远超出人们的预期,量子计算也并非是区块链和加密学的毒药,反而可能是长生不老药,同时也将让业界彻底摆脱RSA的加密霸权。因为将诞生一个更加牢不可破的加密技术:量子密码学。
量子密码学使用物理学来开发一种完全“无解”的密码系统。

量子一词本身是指物质和能量的最小粒子的最基本行为。

量子密码学不同于传统的密码学系统,因为它更多地依赖物理而不是数学作为其安全模型的关键基础。
本质上,量子密码学是基于单个粒子/光波(光子)的使用及其固有的量子特性来开发不可破解的密码系统(因为不可能在不干扰该系统的情况下测量任何系统的量子状态)。
量子密码技术使用光子来传输密钥。一旦密钥被发送,就可以使用普通密钥方法进行编码和编码。但是光子如何成为关键呢?如何将信息附加到光子的自旋上?
这就是二进制代码起作用的地方。每种类型的光子自旋代表一条信息,对于二进制代码,通常为1或0。此代码使用1和0的字符串来创建一条连贯的消息。例如,11100100110可能与hello相对应。因此,可以为每个光子分配一个二进制代码。例如,可以将具有垂直自旋的光子分配为1。

“如果构建正确,则没有黑客可以入侵该系统。问题是正确构建它意味着什么。”苏黎世理论物理研究所的物理学家Renato Renner说。

常规的非量子加密可以以多种方式工作,但是通常,消息是加扰的,并且只能使用密钥来解密。诀窍是确保秘密密钥不会泄露。在现代加密系统中破解私钥通常需要计算一个大数的质数因子。

加密算法选择的数字是如此之大,以至于在给定的计算机处理能力下,算法寻找质数因子所需的时间要比整个宇宙的寿命都长。

但加密技术存在漏洞,某些产品(称为弱密钥)恰好比其他产品更易于破解。而且,摩尔定律不断提高我们计算机的处理能力。更为重要的是,数学家正在不断开发新的算法,以简化质数分解。
量子密码学避免了所有这些问题。在这里,密钥被加密为一系列光子,这些光子在共享秘密信息的双方之间传递。海森堡不确定性原则规定,第三方无法在不改变或破坏它们状态的情况下查看这些光子的状态。
“在这种情况下,对手拥有什么技术都没关系,他们永远也无法打破物理定律,”从事量子密码学研究的新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家理查德·休斯说。
本文作者艾哈迈德·巴纳法Ahmed Banafa)著作
使用区块链和AI的安全智能物联网(IoT)
区块链技术与应用
参考文献:
http://www.forbes.com/sites/billybambrough/2019/10/02/could-google-be-about-to-break-bitcoin/#1d78c5373329
http://decrypt.co/9642/what-google-quantum-computer-means-for-bitcoin/
http://www.coindesk.com/how-should-crypto-prepare-for-googles-quantum-supremacy?
http://www.ccn.com/google-quantum-bitcoin/
http://www.linkedin.com/pulse/20140503185010-246665791-quantum-computing/
http://www.linkedin.com/pulse/20140608053056-246665791-understanding-quantum-cryptography/
http://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html
http://qudev.phys.ethz.ch/static/content/QSIT15/Shors%20Algorithm.pdf

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