檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)的安全機制研究

張倩

區(qū)塊鏈具有的分布式、免信任、時間戳、非對稱加密和智能合約等技術(shù)特性，^[1]為改造傳統(tǒng)檔案信息管理模式，提供了一種獨特的創(chuàng)新思路與技術(shù)升級遴選方案，并已引起國內(nèi)外檔案業(yè)界的關(guān)注與重視。但是，隨著量子計算概念的橫空出世，特別是“量子霸權(quán)”的實現(xiàn)，方興未艾的量子信息技術(shù)應(yīng)用，對傳統(tǒng)信息系統(tǒng)構(gòu)成的安全威脅，已不容小覷。本文通過探究檔案區(qū)塊鏈核心密碼學(xué)算法特性，深入考察分析量子信息技術(shù)對檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)構(gòu)成的潛在安全風(fēng)險，提出完善和創(chuàng)新其安全保障機制的應(yīng)對策略。

一、檔案區(qū)塊鏈密碼學(xué)算法的技術(shù)特性

算法是全球文明的最大公約數(shù)，也是全人類獲得最多共識的基礎(chǔ)。^[2]如今，算法、數(shù)據(jù)和計算能力作為人工智能的三大基石，正通過不斷升級換代悄然改變著人們的生產(chǎn)生活方式，特別是量子計算展示出的“算力”，已被稱為“自然賦予人類的終極計算能力”。可以預(yù)見，隨著從量子物理到量子信息技術(shù)應(yīng)用的飛速發(fā)展，未來以量子計算機為代表的先進生產(chǎn)力不僅會成為可編程社會的“最強大腦”，更將顛覆整個世界。因而，想要了解量子信息技術(shù)應(yīng)用會對檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)產(chǎn)生怎樣的安全威脅，必須首先知曉現(xiàn)階段檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)中采用的“哈希”算法（Hash Algorithm）和“非對稱加密”算法（Asymmetric Cryptography）的技術(shù)特性，^[3]以利于弄清楚經(jīng)典計算機應(yīng)用這兩種密碼學(xué)算法創(chuàng)建檔案區(qū)塊鏈“信任機制”的技術(shù)優(yōu)勢與缺陷。

通過考察可以發(fā)現(xiàn)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的“非對稱加密”和“哈?！彼惴ㄌ匦?，檔案管理機構(gòu)可在檔案信息數(shù)據(jù)安全傳輸、用戶信息隱私保護等諸多方面取得令人刮目相看的效果。如圖1，描述了經(jīng)典計算機借助密碼學(xué)算法在檔案區(qū)塊鏈信息數(shù)據(jù)傳輸中的加密與解密過程。^[4]其操作程序為：首先，在檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)中發(fā)送一條檔案信息明文，Alice（發(fā)送方）用“哈希函數(shù)”從檔案信息文本中生成摘要并用“私鑰”進行加密，加密后的摘要將作為檔案信息明文的數(shù)字簽名和檔案明文合并一起發(fā)送給Bob（接收方）;其次，Bob用與Alice一樣的“哈希函數(shù)”算出Alice發(fā)來的檔案信息摘要;接著，Bob再用Alice提供的“公鑰”，對該檔案信息附加的數(shù)字簽名進行解密。假如這兩個文件摘要相同，Bob即可確認該數(shù)字簽名是Alice發(fā)送的。^[5]需要指出的是：在這種檔案區(qū)塊鏈信息加密與解密交換的過程中，兩個通信對象不僅需要事先擁有共同的信息（即“密鑰”），而且需要加密與解密的算法數(shù)據(jù)信息。毋庸諱言，這種信息傳輸采用的“密鑰”交換技術(shù)，或許就是檔案區(qū)塊鏈信息加密協(xié)議的“阿喀琉斯之踵”。

二、研究背景及問題的提出

2019年10月23日，在英國《自然》雜志刊登的一篇論文中，美國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)企業(yè)巨頭谷歌公司宣稱首次實現(xiàn)了“量子霸權(quán)（Quantum Supremacy）”。^[6]谷歌的這篇論文中說，其已開發(fā)出代號為 “懸鈴木（Sycamore）”的53量子位的量子計算機，“懸鈴木（Sycamore）” 可在 200 秒內(nèi)完成一個計算任務(wù)，而同樣的計算任務(wù)用現(xiàn)今世界排名第一的超級計算機“Summit”來執(zhí)行，約需耗費1萬年的時間。^[7]谷歌基于此突破性研究，不僅作出量子計算機在解決某一個問題上具備超越經(jīng)典計算機“算力”的判斷，而且宣稱其率先實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。該文的發(fā)表，可謂“一石激起千層浪”。2020年12月，被稱為“中國量子通信之父”的潘建偉院士帶領(lǐng)的團隊成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，緊隨谷歌實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。就檔案領(lǐng)域而言，它意味著檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)原先依托各種密碼學(xué)算法構(gòu)筑的安保體制機制，都將被量子計算機輕松破解。

現(xiàn)今，量子計算的研究熱度正呈直線飆升態(tài)勢。僅從產(chǎn)業(yè)層面來看，如若量子信息技術(shù)實現(xiàn)商用，這項高科技“必殺技”不僅將迅速改變檔案區(qū)塊鏈技術(shù)的“游戲規(guī)則”，而且包括檔案區(qū)塊鏈信息管理模式在內(nèi)的所有傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)“生態(tài)圈”的構(gòu)架布局，都將發(fā)生顛覆性的變遷。

三、核心量子特性

隨著“量子至上”的呼聲甚囂塵上，有些學(xué)者甚至將量子計算喻為“和平時代的核武器”。對此，筆者通過考察分析發(fā)現(xiàn)，量子信息技術(shù)的應(yīng)用，目前暫無徹底取代經(jīng)典計算機的可能，其將主要在底層架構(gòu)的密碼學(xué)算法層面，對檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)的安全性產(chǎn)生威脅。^[8]值得關(guān)注的核心量子特性，主要表現(xiàn)為：

一是以量子物理狀態(tài)描述檔案信息數(shù)據(jù)。人們已知，作為物理世界里最小的、不可分割的基本單元，量子是能量的最基本攜帶者，它是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱。^[9]所謂“量子計算”，是指基于量子力學(xué)的新型計算方式。^[10]它以微觀粒子構(gòu)成的“量子比特”（Quantum Bit，簡寫為qubit或qbit）為數(shù)據(jù)信息單元，并可將量子態(tài)作為檔案信息的載體。而傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈檔案信息系統(tǒng)（經(jīng)典計算機硬件設(shè)施）使用的運算規(guī)則是“二進制”的，用“0”或“1”兩種狀態(tài)記錄檔案信息，以經(jīng)典比特為信息單元，其儲存的信息容量和計算速度都遠不及“量子比特”。

二是利用量子“疊加態(tài)”駕馭檔案信息數(shù)據(jù)。量子計算的基本原理告訴我們，量子計算突破了“二進制”的限制，可介于“0”或“1”兩者之間，即處于兩個相互矛盾的中間狀態(tài)之中，這種量子力學(xué)現(xiàn)象，被稱為“疊加態(tài)”（Superposition）。^[11]借助量子疊加這一物理特性，可使記錄的檔案信息數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，尤其是采用這種疊加運算方式，不僅可以攜帶海量的檔案信息數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)檔案信息數(shù)據(jù)的超強并行處理。此外，量子計算具有破譯密碼的超強技術(shù)優(yōu)勢，其既可破解經(jīng)典計算機部署的檔案區(qū)塊鏈“私鑰”與“公鑰”之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，還具備從“公鑰”反向推導(dǎo)“私鑰”的能力，且破解的運算難度將被大大降低，這意味著基于經(jīng)典計算機部署的傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息安保體制機制將變得不堪一擊，“鏈上”的檔案信息數(shù)據(jù)原先所具有的不可篡改、不可否認等技術(shù)特性將不復(fù)存在。

三是借助量子“糾纏態(tài)”作為檔案信息加密和解密的“密鑰”。量子“糾纏態(tài)”（Schrodinger）作為另一種量子力學(xué)現(xiàn)象，是指不論兩個粒子間的距離有多遠，一個粒子的變化會影響另一個粒子，即不管相距多遙遠，它們之間都是相互影響的。因此，應(yīng)用量子糾纏技術(shù)，按照時間順序?qū)n案區(qū)塊連接起來后，只要測量出其中一個被糾纏粒子的屬性，就可推斷出其它粒子的屬性。這種“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance），可使量子計算的處理速度提高到一個新的維度，這意味著基于經(jīng)典計算機部署的傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈加密算法將面臨“土崩瓦解”。

四、應(yīng)對策略

面對量子信息技術(shù)對傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)的潛在威脅，檔案工作者應(yīng)當(dāng)未雨綢繆，不僅要關(guān)注量子信息技術(shù)推動傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈業(yè)態(tài)變革的發(fā)展趨勢，而且要注重做好傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈加密算法與量子信息技術(shù)在線上與線下無縫對接應(yīng)用策略的統(tǒng)籌規(guī)劃和科學(xué)部署。尤其值得重視的是：要慎重選擇平臺承載檔案信息數(shù)據(jù)管理、控制與服務(wù)等不同安全保障功能模塊的技術(shù)設(shè)計方案，并結(jié)合檔案信息化建設(shè)的發(fā)展需要和現(xiàn)實條件，切實做到“軟硬兼施”，以利加快推進傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)安保功能的轉(zhuǎn)型升級?？少Y參考的應(yīng)對思路與策略：

首先，要著力提升支撐傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)硬件設(shè)施的處理能力。隨著支撐檔案信息大數(shù)據(jù)智能平臺相關(guān)元器件集成度的不斷提升，其硬件芯片上的晶體管數(shù)目變得越來越多，單個晶體管的尺寸則變得越來越小，芯片的發(fā)展可以說已經(jīng)接近尺寸上的物理極限，這預(yù)示著遵循摩爾定律（Moores Law）的時代即將終結(jié)，急需揚棄傳統(tǒng)的計算原理和器件配置架構(gòu)來滿足檔案信息化發(fā)展不斷增長的計算需求。在此背景下，檔案業(yè)界應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注量子信息技術(shù)的發(fā)展走勢，盡早引入可替代經(jīng)典計算機的實用化量子計算機等硬件設(shè)施，以利快速提升傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)硬件設(shè)施的處理能力。但從理論分析來看，現(xiàn)已面世的量子計算機尚存在著諸多缺點與不足，如體積龐大、非常不穩(wěn)定、需要低溫運行、精度差、錯誤率高等問題。^[12]對此，筆者認為，隨著檔案“量子云服務(wù)”應(yīng)用的快速發(fā)展，特別是其獨特的“量子優(yōu)勢”，將會吸引更多的檔案管理機構(gòu)選擇以租賃形式來使用量子信息技術(shù)的產(chǎn)品與服務(wù)。

第二，要高度重視傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)加密算法的迭代升級。在注重提升傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)硬件設(shè)施處理能力的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)重視加快推進傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈加密算法的迭代升級。針對量子信息技術(shù)能夠攻破區(qū)塊鏈的技術(shù)特性（通過“公鑰”反推出“私鑰”），筆者推介的防范方案是：對基于經(jīng)典計算機部署的傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)，可參考比特幣交易中對“公鑰”地址的存儲方法，即在確保“公鑰”不外泄的基礎(chǔ)上，設(shè)計并部署任意多的“公鑰”和“地址”，且讓一個“公鑰”和“地址”只能用一次，致使量子計算機因找不到“目標”而無法破解“私鑰”。目前，被廣泛采用的區(qū)塊鏈加密算法，主要是傳統(tǒng)的“哈?！彼惴ê汀胺菍ΨQ加密”算法，而新興的量子計算的兩大核心算法，主要是“肖爾”（Shor）算法和“格羅弗”（Grover）算法，其中“肖爾”（Shor）算法對區(qū)塊鏈的威脅最大（具有對“公鑰”密碼算法的多項式級破解能力）。^[13]實踐證明，伴隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的加速發(fā)展，密碼學(xué)算法迭代升級的博弈將愈演愈烈。對此，筆者認為，步入未來的可編程社會，算法的技術(shù)博弈將永遠遵循“魔高一尺道高一丈”之規(guī)律，但用積極的眼光來看，檔案區(qū)塊鏈和量子計算的博弈雙方，將會共同推動彼此的技術(shù)進步。

第三，要積極采用QKD技術(shù)來增強傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)目构粜阅?。通過考察可以發(fā)現(xiàn)，量子計算的一個獨具魅力之處是，該技術(shù)雖對經(jīng)典計算機部署的檔案區(qū)塊鏈加密技術(shù)具有潛在的安全威脅，但也可采用量子通信的關(guān)鍵技術(shù)之一——“量子密鑰分發(fā)”（Quantum Key Distribution，簡寫為QKD）來增強傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)目构粜阅?。因此，筆者認為，要積極借助QKD技術(shù)，創(chuàng)建可由量子攜帶檔案信息數(shù)據(jù)的“量子化區(qū)塊鏈”，并使其加密和解密的“密鑰”可利用量子物理狀態(tài)的不可分割、不可克隆、一次一密等技術(shù)特性，建立起一種理論上“無法破解”的新型算法體制機制?？梢灶A(yù)見，探索應(yīng)用QKD技術(shù)，這既是創(chuàng)建檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)抗攻擊功能的有效舉措，也將是傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)回歸“絕對安全”的必由之路。

五、“檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)”的建設(shè)重點與創(chuàng)新要領(lǐng)

首先，要重視改造傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安保功能。已有的應(yīng)用案例表明，采用QKD技術(shù)，可替代傳統(tǒng)型檔案區(qū)塊鏈安保功能模塊中基于“非對稱加密”算法分配的“密鑰對”，即通過創(chuàng)建量子化的檔案區(qū)塊鏈，讓檔案信息數(shù)據(jù)在“鏈上”傳輸獲得更可靠的安全性。這種借助QKD技術(shù)建立的檔案量子區(qū)塊鏈安保體制與機制，將具有兩大優(yōu)勢：即可獲得“無條件安全性”和“對擾動的可檢測性”。所謂“無條件安全性”，是指“量子密鑰”分配方案在面對攻擊者具有無限計算資源的前提下，仍具有無法破譯該密碼方案的特性。舉例說明：如圖2所示，Alice在檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)中發(fā)送檔案信息給Bob，必須由“量子密鑰”解密后，Bob才能閱讀此份檔案信息。如果Eve攔截到該“量子密鑰”并對其進行窺視時，會因測量過程中對量子態(tài)的改變而立即破壞原系統(tǒng)的量子態(tài)，使得Eve易被暴露且只能截獲一些毫無意義的信息。所謂“對擾動的可檢測性”，是指在“檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)”中，通信中的用戶之間的“信道”如果受到干擾，用戶可同步、實時檢測出任何試圖篡改“鏈上”信息數(shù)據(jù)的行為。這種對“信道”中竊聽行為的可檢測性，是保障檔案區(qū)塊鏈“量子密鑰”分配方案具有高安全性能的重要基礎(chǔ)。

第二，要重視遴選抗量子計算的密碼技術(shù)應(yīng)用方案。目前，國內(nèi)外已有一些區(qū)塊鏈項目開始部署抗量子計算的密碼技術(shù)。例如：俄羅斯國家量子研究中心的Evgeny Kiktenko團隊和Quantum Resistant Ledger團隊，已研究開發(fā)出首個“量子區(qū)塊鏈系統(tǒng)”。^[14]此外，小蟻 Neo、IOTA、騰訊 PQSS、Hcash等區(qū)塊鏈項目，也開始部署抗量子計算的密碼技術(shù)，^[15]尤其是亨通集團已經(jīng)成功部署國內(nèi)首個“量子區(qū)塊鏈平臺”。這些應(yīng)用實例，都為探索創(chuàng)建“檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)”提供了有益的啟示。對此，筆者認為，在設(shè)計并部署“檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)”的安保功能模塊時，應(yīng)當(dāng)對抗量子計算密碼技術(shù)應(yīng)用案例進行全方位的技術(shù)性能評估，并通過考察篩選，組合采用安全性能口碑好的“量子密鑰”，如基于“格理論”的抗量子密碼、基于“編碼理論”的抗量子密碼、基于“哈希函數(shù)”的抗量子密碼、基于“多變量二次方程”的抗量子加密技術(shù)等，盡管它們在應(yīng)用中各有所長，但也各存不足，需要結(jié)合各自需求與實際條件進行遴選。如何揚長避短、相得益彰，這是用戶與技術(shù)供應(yīng)商討論的商業(yè)機密，此處無需贅述。可以預(yù)見：在加入了基于信息理論安全認證的“區(qū)塊鏈協(xié)議”后，“鏈上”的每對節(jié)點，都通過“量子密鑰”分發(fā)“鏈路”來實現(xiàn)互相連接，這種轉(zhuǎn)型升級后的“檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)”，將讓檔案信息傳輸?shù)陌脖５燃壌鬄樘嵘?/p>

第三，要重視優(yōu)化“檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)”的通信安保模式。從預(yù)測全球信息技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，未來信息安全的技術(shù)高地必將被量子計算占據(jù)，“區(qū)塊鏈技術(shù)將在量子計算機面前不值一提”。^[16]因此，緊跟信息技術(shù)迭代升級步伐，注重不斷優(yōu)化和創(chuàng)新“檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)”的通信安保模式，既需始于足下，更要堅持不懈。通過考察可以發(fā)現(xiàn)，所謂“量子霸權(quán)”對區(qū)塊鏈的威脅，目前主要是基于 POW 的共識機制和基于RSA 的加密算法，易被量子計算機破解。因此，筆者認為，創(chuàng)建“基于非 POW 共識機制”和“量子保密通信”的新型檔案區(qū)塊鏈，將是一種行之有效的解決方案。該應(yīng)用模式的技術(shù)優(yōu)勢在于：依托量子糾纏效應(yīng)，建立量子化的檔案區(qū)塊鏈通信安保模式，不僅能夠有效地規(guī)避攻擊者竊取“密鑰”，而且可以有力地抵御攻擊者在“量子信道”中的竊聽行為。需要指出的是，量子化的檔案區(qū)塊鏈通信安保模式，并非能確?！傲孔有诺馈蓖ㄐ虐踩囊粍谟酪荩潜仨毎殡S著量子計算的迭代升級，對已部署的應(yīng)用模式進行不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。舉例說明：使用時間糾纏將檔案時間戳區(qū)塊鏈接到暫時的“GHZ態(tài)”尚遠遠不夠，還必須通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新時間糾纏與空間糾纏相結(jié)合的“量子優(yōu)勢”，才能獲得抗攻擊的持續(xù)保障能力。其技術(shù)原理：一是讓檔案區(qū)塊中的記錄內(nèi)容，編碼為一連串彼此纏繞的“量子對”;二是讓檔案區(qū)塊通過時間上的糾纏，按時間順序?qū)ⅰ傲孔訉Α辨溄悠饋?三是讓檔案區(qū)塊在由量子計算機構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中相互傳輸，以利檔案編碼記錄區(qū)塊得以創(chuàng)建，并被組成網(wǎng)絡(luò)的“節(jié)點”吸收。面對照此原理不斷優(yōu)化和創(chuàng)新的“檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)”的通信安保模式，攻擊者將無法對以往的任何檔案編碼記錄進行篡改，因為那些檔案編碼記錄在當(dāng)前時間已不復(fù)存在。

六、結(jié)束語

“量子霸權(quán)”之爭將是未來數(shù)字世界之爭。在量子計算的賽道上，檔案信息技術(shù)研究者必須奮起直追，尤其要高度關(guān)注區(qū)塊鏈、量子計算、人工智能等新技術(shù)創(chuàng)新性融合發(fā)展走勢，^[17]積極借助其成熟的應(yīng)用成果，來推動“檔案量子區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)”的提檔升級，以利不斷提高“上鏈”檔案信息數(shù)據(jù)開發(fā)利用的效率與效益。

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作者單位：南京藝術(shù)學(xué)院