量子計算會破壞區塊鏈還是讓它更安全？

?01 寫在前面

談到計算的未來，區塊鏈和量子計算是最受人關注和最具爭議的兩個行業。雖然區塊鏈在加密貨幣和密碼學領域的實際應用要領先得多，但量子計算行業也在以驚人的速度增長。事實上，量子計算行業的增長率僅次于區塊鏈，預計從 2022 年到 2027 年，該行業將以每年 25% 的速度增長。

一些專家認為，量子計算的進步可能會進一步促使區塊鏈走向終結，因為量子計算機可以破解最先進的區塊鏈加密技術，未來將作為一種更先進的方式來保護數據，從而取代區塊鏈。

區塊鏈加密和量子計算經常被綁定作密碼學方面的對比。一方面是量子計算機是否能快速發展從而破解區塊鏈，另一方面是密碼學家是否能迅速提出安全的解決方案來保護自己免受量子黑客攻擊。

然而，量子計算和區塊鏈之間的關系不一定是對立的。一些研究人員認為，量子計算和區塊鏈技術最終會融合成新技術，創建出更快、更安全并有助于解決各種問題的革命性計算解決方案。

02 什么是量子計算 ？與區塊鏈有何不同？

對于不熟悉的人來說，量子計算是一種獨特的計算類型，它利用“量子態”來解決邏輯問題，這些問題往往需要驚人的計算機處理能力，普通超級計算機根本無法解決。量子計算機不像傳統超級計算機那樣逐個分析問題，而可以同時分析大量潛在問題。這些計算機利用量子物理學的原理以極快的速度將錯誤答案數量降至最低，同時以令人難以置信的速度給出正確答案。

當前的計算機通常被稱為經典計算機，由傳統比特 1 位或 0位組成，兩者不會同時存在。而量子計算機則是由量子比特組成的，量子疊加允許比特的兩種狀態同時存在。此外，與傳統比特不同，量子比特可以在量子糾纏的過程中相互影響，從而為整個計算系統創建一個大的量子態。每增加一個量子比特，計算機的潛在狀態數量就會增加一倍，與經典計算機相比，這些計算機具有強大的計算能力。

▲ 量子計算使用情況

除了解決高度復雜問題，量子計算還具有改變加密世界的潛力。量子物理和量子態的性質決定了特定信息的實際狀態在被干擾時會發生變化。因此，理論上，量子加密是不可破解的，因為任何信息狀態如果被竊聽者（或機器）查看，都將發生不可逆轉的變化。然而，就像量子計算可以創造強大的加密技術一樣，它也有可能破壞以前無法破解的加密形式，與區塊鏈的存在成了一個潛在的沖突。

像 IBM 這樣的公司，他們目前正在利用量子計算機來解決各種各樣的問題，例如為電動汽車開發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。

與量子計算相比，區塊鏈是分布式賬本技術，這個由密碼學創建的信息賬本一旦經過一系列分布式計算機（稱為節點）的驗證就無法有效更改。區塊鏈使用各種共識機制—分布式節點網絡，并通過“驗證”信息塊將其添加到區塊鏈中。區塊鏈完全屬于經典計算領域，這意味著區塊鏈在某個時間點只會處于單一狀態。

正如業界所述，區塊鏈技術是一種出色的工具，可通過自動執行的智能合約創建分布式應用程序，其中包括數字貨幣、物流和記錄保存協議以及各種金融產品。

然而由于網絡的限制，區塊鏈未必有能力解決高水平計算問題。目前區塊鏈最大的問題是交易速度緩慢，新的區塊鏈競相提供高效交易的解決方案。相比之下，量子計算在解決一些大而棘手的科學問題方面具有巨大潛力，但它不一定是創建消費類應用程序的好工具。

因此，可以肯定地說，量子計算和區塊鏈是兩種不同高度的技術，它們之間的相互作用可能會深刻地改變這兩個行業。

03 量子計算會破壞區塊鏈并終結加密貨幣嗎？

德勤的一項研究表明，一次攻擊可能會竊取 25% 的比特幣，截止到2022年1月，竊取金額已達到了3000億美元，隨著加密貨幣市場規模的急劇增長，加密黑客最終竊取金額可達數億美元 ，借助量子計算的力量，黑客們未來很有可能在導致全球經濟混亂的同時摧毀整個區塊鏈。

具體來說，目前主流的量子計算機還沒有開發出Shor函數這個功能，當由量子計算機實現 Shor 函數時，理論上可以解決目前被橢圓曲線乘法隱藏的素因數，這是一種用于散列的乘法形式，目前幾乎不可能反轉（即發現相乘在一起形成私鑰的原始數字）。

例如，研究人員計算出，用經典計算機計算和橢圓曲線乘法來確定與公鑰相對應的私鑰需要340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456 次基本運算，相當于數千年。

相同情況下，使用 Shor 函數的量子計算機只需 2,097,152 次基本運算即可，相當于只需要幾個小時。

量子計算除了取代區塊鏈加密之外，另一個擔憂是量子計算機可能會取代傳統計算機進行 加密貨幣挖礦 。正如理論所述，如果這些計算機能夠憑借超快的計算能力比傳統的采礦設備（如 ASIC）更快地挖礦，這將會導致資產價格不穩定、遭受51% 攻擊和挖礦權極端集中化等問題（需要澄清的是這種情況主要針對的是類似于比特幣等基于PoW區塊鏈，通常不會影響基于權益證明(PoS)的共識模型）。由于環境問題和其他因素，一些區塊鏈如以太坊正在轉向不涉及計算密集型挖礦的權益證明和其他共識模型。

盡管有這些基于數據的擔憂，并非所有專家都相信量子計算將來能夠有效地破解區塊鏈并取代傳統密碼學。例如，一些人認為比特幣中使用的 SHA-256 加密是有可能抵抗量子的，即使量子計算機能夠破解當前的區塊鏈加密方法，這也可能需要 10 到 20 年的時間，這讓正在開發新的、更強大的加密方法的區塊鏈密碼學家處于領先位置。

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。雖然在傳統解密方面，橢圓曲線加密被認為比 RSA 加密更安全，但專家認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算機破壞區塊鏈或竊取加密貨幣的大部分可能性。

04 量子計算能否與未來的區塊鏈融合或增強？

雖然有一部分人認為量子計算可能會破壞區塊鏈和加密貨幣，但也有人認為量子加密可以與區塊鏈相結合創建比當今協議更安全的區塊鏈，從理論上形成對傳統黑客攻擊和量子計算機攻擊有很強防御能力的區塊鏈。

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

量子密鑰密碼術，也稱為量子密鑰分發 (QKD)，通過在光鏈路上以光子的形式發送光的“量子粒子”來運行。正如我們前面提到的，任何干擾操作都會取消驗證交易（例如竊聽者查看正在傳輸的光子）。為了實際有效地使用，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《量子計算雜志》上發表的一篇題為《量子區塊鏈：基于量子力學的去中心化、加密和分布式數據庫》的論文詳細介紹了量子計算應用于區塊鏈的優勢，特別是節點選擇隨機化，量子區塊鏈協議可以取代當前隨機化方法，利用量子隨機數生成器來選擇驗證者節點，這將有效地解決當前區塊鏈隨機化問題。

該論文認為，量子區塊鏈也有可能用一種新型的量子加密拜占庭協議取代經典拜占庭協議。雖然只是理論，但如果得以實現，那將在可以幫助抵御 51% 攻擊的同時創建全新的、高度安全的基于量子加密的加密貨幣。

雖然上述大部分內容指的是創建新的量子區塊鏈，但量子技術也很可能應用在現有區塊鏈中來增加去中心化，也可以縮短比特幣、以太坊和 Solana 等主要區塊鏈的交易時間。

在實際運用上需要解決的問題是如何讓節點運營商獲得量子計算和量子密鑰生成功能。目前，大多數量子計算機因其昂貴的價格都僅限于實驗階段，這意味著很難通過大量節點運營商進行操作。但是我們相信這種情況會進一步得到改善，一家深圳技術公司推出了一款成本僅為 5,000 美元的小型量子計算機，成本遠低于目前運行完整的以太坊節點所需的成本。

05 什么是抗量子賬本？

目前，有兩個公共區塊鏈項目聲稱是完全抗量子的，即抗量子賬本和比特幣后量子。抗量子賬本 (QRL) 稱自己為“具有狀態簽名方案和最具安全性的后量子安全區塊鏈”。

QRL 協議使用“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?！?XMSS 利用 Merkle 樹（哈希樹）的擴展 Merkle 簽名方案?；跔顟B的散列簽名方案（如 Merkle 簽名）被認為比 RSA 或橢圓曲線密碼學更能抵抗量子黑客攻擊。但是，如果密鑰被多次使用，基于哈希狀態的簽名方案（如 XMSS）估計會很容易受到攻擊，與其他密碼學相比，這會是個劣勢。

目前，美國國家標準技術研究所 (NIST) 的計算機安全資源中心正積極地對除了 XMSS，NIST， 等70 種“后量子密碼學”加密技術進行研論，他們希望借此評估該項技術在民用和政府方面的優劣勢。

抗量子賬本聲稱，它的“擴展”Merkle 簽名方案比傳統的 Merkle 簽名方案更有效、更安全，但如果沒有真正有效的量子計算機對其進行破解測試，很難證實這一點。

06 什么是比特幣后量子？

除了QRL 項目之外，另一個區塊鏈項目—比特幣后量子也聲稱可以使用基于哈希狀態擴展Merkle簽名方案（XMSS）來保護自己免受量子計算攻擊。BPQ 是比特幣區塊鏈的一個實驗分支，它使用的是量子安全數字簽名而不是傳統的加密技術。未來幾年，BPQ 進行的研究可能會成為將抗量子加密技術引入比特幣主網絡的基礎。

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

07 量子計算和區塊鏈的未來是什么？

量子計算和區塊鏈的未來仍是個未知數，該最終答案可能會成為未來計算機科學領域的決定性因素之一。區塊鏈幫助互聯網民主化，創造了加密貨幣，并以比特幣和以太坊等流行區塊鏈的形式創建了世界上最大的分布式計算機網絡。

相比之下，仍處于早期階段的量子計算有可能幫助我們解決更多具有影響力的科學和技術問題，并以我們無法預見的方式推進技術發展。如果量子計算和區塊鏈發生沖突，那可能是一場史詩般的災難。相反，如果密碼學繼續發展，能夠創建越來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塊鏈中，那么這些技術的結合將有助于創建一個更安全、更民主化的互聯網，從而對世界產生積極影響。