比特币危险了,量子计算或对区块链产生威胁!

比特币历经8年时间,从最初的1美分到如今的10000美元,实现了100万倍价值的飞跃。比特币之所以那么火,因为来自区块链技术为其赋予的自由性、安全性、公平性,但是在不远的未来,这样的虚拟货币机制可能会被完全瓦解,很多人所信仰的安全、可靠、坚如磐石基础,可能会被迅速发展的量子计算所摧毁。

上周消息,中科院量子信息与量子科技创新研究院在超导量子计算方向发布11量子比特的云接入超导量子计算服务,取得突破性进展。世界范围来看,这是继IBM后的第二家提供10个量子比特以上的云计算服务,这一进展让量子计算又一次成为焦点。

量子计算的迅速发展超出众人预期,有预测认为,十年内量子计算将会给区块链(包括比特币)带来毁灭性打击。那么,量子计算机会如何对区块链造成威胁?又会造成多大的威胁?区块链有没有对策抵御呢?

一、量子计算机和区块链

1. 量子计算机

简单来说,量子计算机的运行单位是量子比特(qubit)而非经典计算机的比特(bit)。在经典计算机中,一个比特的值是确定的,可能是1,也可能是0。但是在量子计算机中,一个量子比特的值在观察之前是不确定的,这个值有可能是1,也有可能是0,还可以是1和0的叠加状态(superposition),即同时等于0和1。

这样的差别有多大呢?拿《火影忍者》举例的话,那就是佐助是经典计算机,鸣人是量子计算机,要找一个东西,佐助只能自己一个一个地方跑去找,也许要找一年。但是鸣人可以分出5个影分身,然后5个影分身再分出5个影分身,分身的分身再分身,所有分身都去不同的地方,瞬间找到东西,然后分身收回,只剩一个鸣人,取回东西,完成。

耶鲁大学的罗伯特·舍尔科普夫教授(Robert Schoelkopf)说:“当量子计算机拥有50个或者100个量子比特,而且这些量子比特能工作得很好,可以做完全纠错,那么你就可以用这个量子计算机做更复杂的计算工作了。”

量子计算机强大的计算能力带来的改变将是翻天覆地的,甚至将可能会影响国家安全。因此,中科院的潘建伟院士曾说:“我相信量子技术在21世纪的重要性可与上个世纪的‘曼哈顿计划’相比。”

2. 区块链

现在,我们可以把区块链想象成一个账本,每一个区块中都有这个账本的一部分,这一部分账本的完整信息保存在这个区块的所有节点,这就是区块链技术的去中心化。每个区块都只有账本的一部分,但是这一部分会记录上一个区块的信息,一个区块连一个区块,形成区块链。相比传统金融领域的中心化机制,区块链的去中心化使其更加可靠牢固,即使失去一些节点信息,系统依然可以继续正常运转,因此区块链被认为是非常安全可靠的技术。

二、量子计算怎么对区块链产生威胁?

要理解量子计算对于区块链的威胁(以比特币为例)首先得从比特币系统中的安全协议说起,比特币的协议涉及两种类型的密码学,即挖掘过程中使用的散列函数(哈希函数)和用于在区块链上提供数字签名的非对称密码术。

矿工们利用其计算能力,使用SHA-256哈希函数为每个区块计算一个随机数,这个过程所得到的结果非常容易被验证,但是很难被找到。而不对称密码术则用于授权比特币区块链上的交易,整个链上的每个用户都会被分配一个公钥和一个私钥,这就是公钥密码系统(Public Key)。公钥密码系统使用一对密钥来加密信息:可以广泛共享的公钥和只有密钥所有者才知道的私钥。任何人都可以使用预期的接收者公钥加密消息,但只有接收者才能使用他的私钥解密消息。

这样的非对称密码算法,核心是利用椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)来生成密钥,给定一个私钥,很容易推导出相应的公钥,但是反过来计算困难,这就是现在比特币安全的原因。

而量子计算机可能会对这两道安全防线产生巨大威胁,未来量子计算机能很快破解哈希函数,从而垄断整个区块链。同时,也有预测指出,在更近的未来(或许是2027年)量子计算机的舒尔算法(Shor’s algorithm)能在十分钟(600秒)内破解密钥。

关于量子计算机将威胁挖矿的问题,戴夫士•阿加沃尔(Divesh Aggarwal )和新加坡国立大学(NUS)的研究人员进行了深入研究,并在2017年10月就此发表了论文。他们认为,至少在未来十年内,使用ASIC挖矿的速度会比量子计算机快,不过十年后,量子计算机的挖矿速度会飞速增长;其次,面对量子计算机,区块链采用的非对称密码算法,即公钥密码系统会受到更大的威胁。

新加坡国立大学的研究人员指出,通过使用量子计算机,可以很容易地反过来运行用公钥推定私钥的过程,每个人的私钥都会被量子计算机轻易地推断出来。

量子计算机破解加密签名所需时间预估 单位:秒,预计2027年只需十分钟/600秒

同样的,我们可以把这个解密过程比喻为走迷宫,经典计算机能做的就是一个方向一个方向地走,直到走进死胡同,然后回头选择走别的路。然而,量子计算机是给你一个上帝视角,俯瞰整个迷宫,该走哪条路一目了然。

但是量子计算机需要达到一定的量子比特才能做到这样的程度,外媒Motherboard认为,一个4000量子比特的量子计算机或许就可以瓦解区块链,也就是说,哪个人或团队先做出并应用这样的量子计算机就可以解出并验证每一笔交易。未来会产生的还未流通的所有加密货币都会被其垄断,加密货币的信任系统将被瓦解。

结语:

量子计算机的快速发展势不可挡,终有一天将会威胁到区块链,令人担忧的是区块链专家并没有真正意识到重要性,放松警惕。据《财富》杂志报道,在2017年11月的Crypto 2017会议(顶尖的区块链密码技术人员会议 )上,全球“没有人担心”量子计算风险。一位专家表示,这将是一个“非常昂贵的操作”,可能需要“政府级”支出。令人欣慰的是专家们似乎都有一个相同的观点,量子计算的出现将危及所有现有加密方法(包括RSA令牌)的安全性,涉及金融和银行业的安全。科技不停发展,区块链和加密货币等新兴技术还处在初级发展阶段,还有漫长的道路要探索,技术研发人员任重而道远。

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