量子計算機將“殺死”區塊鏈？

胡泳

被稱為區塊鏈的新穎計算數據結構提供了一個開放的、公開的、分布式的賬本，具有許多有前途的應用，包括數字貨幣。但是，任何新的密碼應用程序都應考慮到預期的技術發展，這些技術會在任何我們所部署的系統的生命周期內發生。例如，量子計算機的發展凸顯了區塊鏈技術的脆弱性。區塊鏈及其應用程序的主要賣點是，鑒于計算技術的當前狀態，在正常情況下，加密保護的分布式賬本實際上是“牢不可破的”。然而，這一賣點的有效性在很大程度上是基于對某種“技術狀態”的假設。區塊鏈的分布式賬本的安全性取決于某些特定密碼問題的解決難度，而量子計算會破壞這種難度。我們都知道，量子計算機的信息處理不是基于經典物理學，而是基于量子力學。這意味著針對特定問題的計算能力將大大提高。

區塊鏈的加密功能被認為是安全的，因為打破它需要大量的計算資源，而這是傳統計算機無法實現的。但是，一臺量子計算機將能夠在幾天之內破解這種密碼屏蔽。如果發生計算形式的轉變，則基于當代區塊鏈的系統可能會變得容易受到設計中未考慮的威脅的影響。問題在于，這種威脅很快就會緊急發生嗎？目前，區塊鏈的不變性和無與倫比的安全性的想法已被廣泛接受：它建立了公眾對數字資產的信任并促進了大規模采用。但是量子計算的出現可能會危害公鑰密碼術的完整性，而公鑰密碼術是區塊鏈安全的支柱。其實，整個網絡世界的安全性都取決于公開密鑰加密，用以保護通信、銀行賬戶和其他敏感數據。這種加密術的核心是需要大量計算才能破解密鑰。例如，在2016年，200臺計算機花了兩年時間才破解了一條用768比特長度的密鑰加密的消息。由此，我們的安全性取決于計算機的速度。

2019年9月，谷歌率先宣稱實現“量子優勢”（quantum supremacy），這一術語指的是量子計算在某一方面，可以解決經典計算機不能解決的問題，或者是比經典計算機有顯著的加速（指數級加速）。由谷歌研發的量子計算機可以“在3分20秒內完成當今最先進的經典計算機大約要花費1萬年才能處理的問題”。而2020年9月，中國科學院院士潘建偉在公開課演講上向公眾透露了我國量子計算機的最新進展：已經實現了光量子計算性能超過谷歌53比特量子計算機的 100 萬倍。在這樣飛速的發展下，基于量子的未來設備是否能夠“殺死”區塊鏈的問題成為人們關注的焦點。一種解決方案是用抗量子密碼術代替傳統的數字簽名，抗量子密碼術是一種專門設計用來抵御來自功能強大的量子計算機的攻擊的安全算法。目前來看，量子計算機還不會殺死區塊鏈，但是它們可能會觸發底層密碼學的根本變化，發展出一種抗量子密碼學，也可以稱為后量子密碼學。大多數研究者都認為，有必要逐步轉向抗量子密碼學，并建立支持它的基礎設施。

俄羅斯物理學家提出的另一種補救措施，只有等待幾十年之后量子互聯網出現才能獲得。這種基于遙遠糾纏的量子粒子之間的連接的無線通信架構，將解鎖大量新的區塊鏈模型和設計。新西蘭維多利亞大學的兩位學者在最近的一份研究論文中表達了一個令人振奮的想法。他們提議放棄量子密碼的研究，直接躍升為推動區塊鏈本身成為基于量子的系統。他們的模型描述了一個基于量子位的區塊鏈，這些量子比特不僅在空間中而且在時間上糾纏在一起。在不破壞粒子的情況下，試圖改變由單個粒子的狀態歷程所記錄的交易是不可能的。當然，在量子互聯網啟動并運行之前，不可能實現該模型。