区块链浅说(三):当区块链遇上了量子计算的时候……

2020-06-22 06:35:05

区块链和量子计算,都是当前全球技术发展的前沿阵地、新一代信息技术的代表。区块链最显著的特征是数据的安全性。量子计算最显著的特点是强大的计算能力及其破解密码能力。所以,许多人自然会问:当区块链遇上了量子计算的时候,那么,区块链及其安全性还存在吗?

这是一个十分有趣然而又是一个相当重要的问题。不仅是科学家们正在努力探索的问题,而且也是从普通老百姓到经济学家们普遍关心的问题。如何来认知这样一个问题呢?在这篇短文里,我们从这两个技术的当前水平、研究动态、和未来评估这三个方面作尽可能简要粗浅的分析。

区块链是一种数学结构,可以随着时间的推移安全地存储数据,区块链越庞大显得越安全。区块链的安全性能由标准的加密功能来保证,破解它需要巨大的计算资源,而这种计算能力在目前来讲还不存在。

2018-2019年,是区块链大展拳脚的开始,以美国为例,区块链技术吸引了北美和欧洲90%的银行进行投资,据预计到2021年区块链市场将达到30亿美元。在未来几年中,区块链将快速发展,充分发挥其潜力,将涌现出许多基于区块链的应用产品。

量子计算机基于量子物理的量子叠加和纠缠原理,能够同时分析大量数据同时拥有强大的计算能力;同时基于量子不可克隆原理,保证了量子信息的无条件安全性。

量子计算机最近有了快速的进展,谷歌的量子计算机研究团队在最近声称该项目已经达到了量子霸权的地位。IBM最近刚上线展示了其最大的、由53个量子位组成的量子计算机系统。我国的量子计算机不久也将上线。

为预防量子计算可能会打破传统区块链所依赖的加密技术从而构成对区块链的威胁,科学家们在寻求各种可行的途径与方法,比如说有下面几个方面的研究动态:

量子密码学:将量子层添加到标准区块链协议中。量子网络:这是我们许多人比较熟悉的,中国走在了世界的最前沿,一个可以通过量子路由器传输量子信息而不会破坏其量子特性的网络,从而保障信息传输的无条件安全。抗量子账本(Quantum Resistance Ledger,QRL):没有固定的私钥供第三方从公共密钥中窃取,每次用户签署新交易时,签名都会更改,提高对抗黑客的攻击能力。时间纠缠量子区块链: 使用被时间纠缠的量子粒子创建区块链,使整个区块链成为一种量子现象。当对一对纠缠的粒子中的一个进行测量会立即破坏链接。因此,如果恶意用户试图干扰这对用户中的一个,则对另一用户来说立即可见。基本步骤是在量子粒子上编码数据成为第一个量子块。当有更多数据可用时,会将其与来自第一个粒子的数据合并在一起,通过量子操作将其与第二个粒子纠缠在一起。然后丢弃前者,并将第一笔交易记录与第二笔交易记录合并。可以以相同的方式添加来自第三块的数据,从而创建一个链。任何试图篡改它的人都会立即使它无效。攻击者甚至无法尝试访问以前的光子,因为它们不再存在。时间纠缠比空间纠缠提供了更大的安全性能。

我们不能单纯用量子计算将来可能的潜力来评估当前区块链的安全性。信息科学在迅猛发展,区块链也在迅猛发展。单就区块链数据规模,在量子信息技术本身以及人工智能、移动通信、物联网等新一代信息技术的紧密配合下,将会呈指数级增长。对于现今区块链数据规模,目前最先进的54比特量子计算机不可能构成威胁,据估计至少需要约500量子比特的计算能力才行。即使将来具有这个能力,入侵区块链网络需要控制最少51%的节点,这不单是量子密码计算问题。即使可能控制最少51%的节点,在那个时候的区块链数据规模又将是多庞大?又将需要多少量子比特的计算能力才行?无人能准确预测。人类的科学技术的发展历来是在“矛”与“盾”中取得不断发展,有“矛”即有“盾”,矛盾既对立又统一。区块链与量子计算不是势不两立的矛盾体,可以相互融合共创辉煌。理论上可能预测到的最好的统一结局可能是:量子互联网络的量子区块链。最坏的可能性是:区块链在将来某一天受到量子计算的严重威胁与挑战。就如人的智能在将来有可能受到通用人工智能的严重威胁与挑战一样。这在科学上称作为奇点(Singularity),就好比物理学的引力接近一极限时产生的黑洞的物理属性一样,已经不在一般正常模型所能预测的范围之内。如果是这样,最坏的选择的可能就是限制与掌控量子计算能力,就象对待核技术的核武器一样,控制不能超过某一比特数量,比方说假设一万量子比特足以摧毁区块链,限制这样的计算能力的产生与使用。可能有人觉得这听起来就好像是科幻故事,但这种可能性是存在的,不可掉以轻心。好在这是几十年后的难以预测的可能性,并非当务之急,可又不能掉以轻心。结论

区块链与量子计算这两种新一代信息技术,其前途是是光明的,但道路是曲折的,风险与机遇同在。我们需要充满信心,但又不能掉以轻心。“人类总得不断地总结经验,有所发现,有所发明,有所创造,有所前进。停止的论点,悲观的论点,无所作为和骄傲自满的论点,都是错误的。”