何为量子区块链“时光机器”?将使区块链无懈可击!

鉴于量子信息技术受到的关注与日俱增以及Visser和Rajan的理论成果,人类或许会在不远的将来就会实现在量子网络中运行极为安全的量子区块链。

作者:Giulio Prisco

编译:sky

新西兰惠灵顿维多利亚大学的两位研究人员最近发表了一篇论文,描述一种新的量子区块链技术。该技术能通过量子跨时间纠缠大幅提升未来运行在量子网络中的区块链系统的安全性。

论文的资深作者Matt Visser是一位知名数学家及宇宙学家,撰写了《人造黑洞》与《洛伦兹虫洞》两部著作。论文的第一作者Del Rajan是Visser研究组的一名博士生。

据IEEE Spectrum报道,Rajan表示:“以往的区块链已经能够与量子运算相结合,但区块链本身却一直未能量子化。我们目前推出的是第一套完全量子化的区块链方案。”

他还表示:“预计到2027年,全球GDP总量中的10%会存储在区块链技术当中。”因此,极有必要设法巩固区块链网络的安全性。Visser和Rajan相信,他们构想的量子区块链能使所有记录在其中的数据受到无懈可击的防篡改保护。

二人提出,可以对“不同时存在的光子之间的时间纠缠”加以利用。

量子纠缠,即让爱因斯坦困惑不已的“鬼魅般的超距作用”,是指两个有共同起源或曾经相互作用的相距遥远的粒子之间存在关联(即能相互影响)。

非局域的纠缠关联似乎是瞬时实现的,即便不是,也至少比其它物理相互作用的发生快得多。多项实验已证实,即便两个相距极其遥远以致受光速限制无法迅速交流信号的粒子也能迅速纠缠。

科学家发现,对于一对纠缠的粒子,对其中一个粒子的状态进行测量会以一种目前不为人知的方式影响另一粒子的状态。虽然根据科学家目前的共识,量子纠缠并不能用来以超光速发射信号,但它可以发挥重要的实际用途,比如量子计算及量子加密。

就加密而言,量子纠缠是一把双刃剑。

一方面,即便目前最强大的加密算法也有可能在未来被基于纠缠量子位(即:可以处于0和1叠加态的物理量子位)构造的量子计算机破解。

很多财力雄厚的组织(比如美国和中国等政府以及IBM、因特尔和微软等科技巨头公司)都在积极研发量子信息技术。

美国国家标准技术研究所(简称“NIST”)最近发布的一份报告指出,量子计算机可能不久之后就会出现,届时会大大削弱现有加密算法的功能甚至使其完全失效。

有鉴于此,如今的区块链系统所使用的加密技术需要改变或升级。该报告从NIST于2016年发布的《有关后量子加密技术的报告》中摘录了一张表,描述量子计算机对普通加密算法的影响,概括而言:RSA加密算法、椭圆曲线加密算法(ECDSA和ECDH)及有限域加密算法(DSA)不再安全,而AES、SHA-2及SHA-3加密算法则需扩大密钥及输出规模。

另一方面,虽然量子纠缠使量子计算机能够破解如今哪怕最强大的加密算法,但它同样能成就安全性能无懈可击、得到基础量子物理保障的量子加密算法。量子密钥分发技术可以利用纠缠的关联侦测黑客试图截获加密密钥的行为。

“纠缠”的概念本就让人觉得不可思议,“时间上的纠缠”更是如此。但实际上,对于非局域的纠缠关联,空间上的纠缠存在,时间上的纠缠同样存在。

首次通过实验证实“时间上的纠缠”存在的物理学家们曾写道:“对最后一个光子进行测量会影响过去第一个光子的物理特性,即便在测量发生前也一样。因此,‘鬼魅般的作用’也操控着量子系统的过去。”

《麻省理工科技评论》杂志解释,Visser和Rajan的基本构思是把数据编码到一个量子粒子中。“这个粒子就成为第一个量子区块。当有新数据需要存储时,就通过量子运算使第一个粒子和新粒子发生纠缠,从而令编码到新粒子中的数据与第一个粒子中的数据关联。

之后,丢弃第一个粒子。第一个区块中的记录就和第二个区块形成了关联。第三个区块中的数据也以同样的方式添加。量子区块链于是形成。”

Visser和Rajan写道:“对于我们设想的量子区块链,可以把其编码的过程理解为:使一个区块中的现有记录与过去实际做出的记录关联,而非与对过去的记录关联。

由于之前的光子已不存在,黑客即便想要篡改过去的记录都无从下手。”因此,时间上的纠缠所提供的安全保障比空间上的纠缠强大得多。

“有关过往交易的记录被编码到跨时间分布的量子态中。”Rajan这样总结。

“我们构想的区块链相当于一台量子时光机器。”Visser补充道。

这听上去很像天方夜谭,但实际上有严谨科学作为依据并受到现有技术的支撑。“本设计的所有子系统都已通过实验实现。”Visser和Rajan写道。

由于极其安全的交易网络能发挥广泛的实际用途,因此建设这样的网络可能会引起政府和企业界的兴趣。

然而,由于目前的商用网络无法处理量子信息,因此量子区块链无法在其中运行。不过Visser和Rajan强调,全球化量子通信网络的建设目前正取得重大进展。

“目前需要讨论的问题早已不是我们是否需要全球化量子网络,而是这个网络将何时以及如何建成。”近日刊登在《自然光子学》(Nature Photonics)上的一篇评论文章这样写道。

在国营领域,中国政府正在建设量子密钥分发卫星以及一条从北京到上海的2000多公里长的光纤链路。

在私营领域,韩国电信业巨头SK电讯(SK Telecom)正投资6500万美元,联手瑞士量子信息公司ID Quantique开发可运用于电信以及物联网市场的量子技术。

鉴于量子信息技术受到的关注与日俱增以及Visser和Rajan的理论成果,人类或许会在不远的将来就会实现在量子网络中运行极为安全的量子区块链。

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