量子计算机会对區塊鏈将产生什么冲击

量子计算机正成为新兴计算机的一个发展方向。虽然量子计算机目前还没有成为现实,但也在一步一步地努力实现中。早在2015年,IBM 的研究员在位于纽约的实验室中就建造了一台有5个量子比特的量子计算机,并向公众发布免费量子计算云服务,让所有人都可以使用这5量子比特的量子计算机。

上个月末,Google AI Quantum 等机构发布的一篇关于量子计算机进展的论文《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》引起了巨大反响,量子计算机以其远远超越经典计算机的计算能力得到了广泛关注。而这种超级计算能力也给區塊鏈领域带来了一丝恐慌,各个社區纷纷开始担心量子计算机会成为區塊鏈底层密码算法的致命威胁。4qh顯卡之家

一、引言4qh顯卡之家

量子计算机正成为新兴计算机的一个发展方向。虽然量子计算机目前还没有成为现实,但也在一步一步地努力实现中。早在2015年,IBM 的研究员在位于纽约的实验室中就建造了一台有5个量子比特的量子计算机,并向公众发布免费量子计算云服务,让所有人都可以使用这5量子比特的量子计算机。在2019年度国际消费电子展上,IBM 展示了一台量子计算机 IBM Q System One 模型。据报道,IBM 将很快为其 IBM Q Network 的客户提供53量子比特的量子计算机。而谷歌在2018年美国物理学会年会上推出的 Bristlecone 量子计算芯片有72个量子比特。另外,D-Wave 也在推出其下一代的量子退火计算机。4qh顯卡之家

這一切迹象表明量子計算機正在悄然而堅定地向我們走來。據美國國家標准與技術研究院(NIST)預測,在十五年左右的時間內,投入十億美元就有50%的可能性制造出一座以核電站供能的量子計算機。4qh顯卡之家

二、对區塊鏈将产生冲击?4qh顯卡之家

一旦通用型量子計算機實現,即我們步入後量子時代,其帶來的影響是不可估量的。量子計算機能以其特有的並行性高效地解決傳統的計算困難問題。4qh顯卡之家

我们知道,區塊鏈基于密码学来保证其难以篡改性和难以伪造的特征。特别地,公钥签名算法 ECDSA 和哈希算法 SHA-256 等在區塊鏈系统中有着重要应用。另外,目前网络世界中的安全通信也依赖于公钥密码体制,包括公钥加密体制、数字签名体制和密钥交换协议等。在实际应用中,主要用到 RSA 密码系统、椭圆曲线密码系统以及 (EC) Diffle-Hellman 密钥交换协议等。例如,商用密码算法 SM2 就广泛应用于我国金融系统中。4qh顯卡之家

以 ECDSA 为代表的公钥密码系统的安全性是以某些数论问题为基础的,比如大整数分解问题以及群上的离散对数问题。在传统的经典计算机下,大整数分解和离散对数等问题的求解需要问题规模的(亚)指数时间,因此我们通常认为它们是计算困难的,或者说是计算不可解的。从而,在经典计算机下,我们认为建立在这些困难问题上的公钥密码系统是(计算)安全的。即,在经典计算机模型下,區塊鏈用 ECDSA 等密码算法可以达到其既定的安全目标。4qh顯卡之家

而量子计算机的出现将改变这一状态。Shor 量子算法以及在这基础上改进的一系列量子算法表明,大整数分解问题和离散对数等问题可以利用量子计算机在常规时间(多项式时间)内被有效解决。微软研究院的研究人员曾表明“破解 RSA-2048 的密钥,经典计算机可能需要耗费10亿年的时间,而量子计算机只需要100秒就可以完成”。因此,一旦量子计算机实现,區塊鏈中采用的 ECDSA 算法、安全通信中采用的 RSA 密码系统,以及金融行业中采用的 SM2 密码系统等非对称密码技术将被攻破。4qh顯卡之家

而对于诸如 AES 的对称密码体制以及诸如 SHA256 的哈希算法来说,Grover 量子搜索算法的存在也迫使对称密码算法等选择更长的密钥来维持相同的安全等级。更稍显确切地讲,Grover 量子搜索算法可以使 AES 和 SHA256 等算法的安全性减半。即,量子计算机下 AES-256 的安全性相当于经典计算机下 AES-128 的安全性。4qh顯卡之家

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三、結論4qh顯卡之家

因此,如果不提前有所准备,一旦量子计算机研制成功,即所谓的后量子时代到来,我们目前所用的密码技术都将受到冲击,區塊鏈的安全性也会受到相应的影响。4qh顯卡之家

衆所周知,在過去的四十年裏,公鑰密碼學已經成爲全球數字通信基礎設施中必不可缺的重要部分。在諸如全球商貿、移動通信、社交網絡、雲計算和大數據等重要應用場合,公鑰密碼學都爲實體(例如個人、企業和政府部門等)間的安全通信提供了重要保障,是構建網絡信任體系,實現身份認證、電子簽名和秘密傳輸的關鍵技術。一旦量子計算機實現,在信息通信過程中目前所使用的保護手段將失效,我們將失去保護隱私數據和認證通信雙方的能力。4qh顯卡之家

因此,量子计算给區塊鏈领域带来的恐慌也不无道理。不过,正如论文《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》中指出的一样,实现能破解 ECDSA 等密码算法的通用型量子计算机还有很长的路要走,还有很多的难关需要克服。另外,诸如后量子密码学等应对技术也在蓬勃发展。无论是區塊鏈,还是量子计算,无数的科学家、研究学者都在积极地投身在各自的阵营里,创造着属于自己的技术革命,并践行着技术改变生活的理念。4qh顯卡之家
来源: 本体研究院 4qh顯卡之家

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