量子計(jì)算機(jī)將“殺死”區(qū)塊鏈？

胡泳

被稱為區(qū)塊鏈的新穎計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)開放的、公開的、分布式的賬本，具有許多有前途的應(yīng)用，包括數(shù)字貨幣。但是，任何新的密碼應(yīng)用程序都應(yīng)考慮到預(yù)期的技術(shù)發(fā)展，這些技術(shù)會(huì)在任何我們所部署的系統(tǒng)的生命周期內(nèi)發(fā)生。例如，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展凸顯了區(qū)塊鏈技術(shù)的脆弱性。區(qū)塊鏈及其應(yīng)用程序的主要賣點(diǎn)是，鑒于計(jì)算技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)，在正常情況下，加密保護(hù)的分布式賬本實(shí)際上是“牢不可破的”。然而，這一賣點(diǎn)的有效性在很大程度上是基于對(duì)某種“技術(shù)狀態(tài)”的假設(shè)。區(qū)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(jì)算會(huì)破壞這種難度。我們都知道，量子計(jì)算機(jī)的信息處理不是基于經(jīng)典物理學(xué)，而是基于量子力學(xué)。這意味著針對(duì)特定問題的計(jì)算能力將大大提高。

區(qū)塊鏈的加密功能被認(rèn)為是安全的，因?yàn)榇蚱扑枰罅康挠?jì)算資源，而這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。但是，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)將能夠在幾天之內(nèi)破解這種密碼屏蔽。如果發(fā)生計(jì)算形式的轉(zhuǎn)變，則基于當(dāng)代區(qū)塊鏈的系統(tǒng)可能會(huì)變得容易受到設(shè)計(jì)中未考慮的威脅的影響。問題在于，這種威脅很快就會(huì)緊急發(fā)生嗎？目前，區(qū)塊鏈的不變性和無(wú)與倫比的安全性的想法已被廣泛接受：它建立了公眾對(duì)數(shù)字資產(chǎn)的信任并促進(jìn)了大規(guī)模采用。但是量子計(jì)算的出現(xiàn)可能會(huì)危害公鑰密碼術(shù)的完整性，而公鑰密碼術(shù)是區(qū)塊鏈安全的支柱。其實(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)世界的安全性都取決于公開密鑰加密，用以保護(hù)通信、銀行賬戶和其他敏感數(shù)據(jù)。這種加密術(shù)的核心是需要大量計(jì)算才能破解密鑰。例如，在2016年，200臺(tái)計(jì)算機(jī)花了兩年時(shí)間才破解了一條用768比特長(zhǎng)度的密鑰加密的消息。由此，我們的安全性取決于計(jì)算機(jī)的速度。

2019年9月，谷歌率先宣稱實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”（quantum supremacy），這一術(shù)語(yǔ)指的是量子計(jì)算在某一方面，可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能解決的問題，或者是比經(jīng)典計(jì)算機(jī)有顯著的加速（指數(shù)級(jí)加速）。由谷歌研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)可以“在3分20秒內(nèi)完成當(dāng)今最先進(jìn)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)大約要花費(fèi)1萬(wàn)年才能處理的問題”。而2020年9月，中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉在公開課演講上向公眾透露了我國(guó)量子計(jì)算機(jī)的最新進(jìn)展：已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光量子計(jì)算性能超過谷歌53比特量子計(jì)算機(jī)的 100 萬(wàn)倍。在這樣飛速的發(fā)展下，基于量子的未來(lái)設(shè)備是否能夠“殺死”區(qū)塊鏈的問題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。一種解決方案是用抗量子密碼術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字簽名，抗量子密碼術(shù)是一種專門設(shè)計(jì)用來(lái)抵御來(lái)自功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)的攻擊的安全算法。目前來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)還不會(huì)殺死區(qū)塊鏈，但是它們可能會(huì)觸發(fā)底層密碼學(xué)的根本變化，發(fā)展出一種抗量子密碼學(xué)，也可以稱為后量子密碼學(xué)。大多數(shù)研究者都認(rèn)為，有必要逐步轉(zhuǎn)向抗量子密碼學(xué)，并建立支持它的基礎(chǔ)設(shè)施。

俄羅斯物理學(xué)家提出的另一種補(bǔ)救措施，只有等待幾十年之后量子互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)才能獲得。這種基于遙遠(yuǎn)糾纏的量子粒子之間的連接的無(wú)線通信架構(gòu)，將解鎖大量新的區(qū)塊鏈模型和設(shè)計(jì)。新西蘭維多利亞大學(xué)的兩位學(xué)者在最近的一份研究論文中表達(dá)了一個(gè)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(dòng)區(qū)塊鏈本身成為基于量子的系統(tǒng)。他們的模型描述了一個(gè)基于量子位的區(qū)塊鏈，這些量子比特不僅在空間中而且在時(shí)間上糾纏在一起。在不破壞粒子的情況下，試圖改變由單個(gè)粒子的狀態(tài)歷程所記錄的交易是不可能的。當(dāng)然，在量子互聯(lián)網(wǎng)啟動(dòng)并運(yùn)行之前，不可能實(shí)現(xiàn)該模型。