量子计算机出炉,或将对传统区块链产生威胁

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笔者结合自己的思考与分析,向我们介绍了什么是量子计算以及它将对传统区块链产生的威胁。

不久前,谷歌公司宣布,它的量子计算机首次完成了一项经典计算机基本无法完成的任务,实现了量子优越性。为此谷歌还登上Nature封面展示量子霸权,200秒=超级计算机苦干10000年!不少媒体争相报道,谷歌实现量子霸权,来博得大家的眼球。

而这两天被捧上天的区块链,在之前的文章中也提到过,它是一个加密的分布式记账本。但是量子计算机又是一个变态算力的庞然大物。很容易想到,量子计算机对传统区块链产生两大致命威胁。

  • 51%攻击:如果说量子计算机控制着整个区块链51%的算力,那么就可以伪造记账。
  • 传统加密算法攻击:量子计算机的这种超强计算能力,使得基于计算复杂性的现有公钥密码的安全受到挑战。

1. 量子计算机简介

为了了解量子计算机的超强算力,我们先了解一下量子的两个基本特性:量子叠加量子纠缠

传统比特表示的数据在某一特定时间点,只能有一种状态即0或者1。以4比特为例,无论你使用什么门电路设计,最终输出的只能是:0000,0001,….,1101,1110和1111中的一种状态。即16种可能的组合你只能选用其中的一种。

但对处于叠加态的量子比特表示的数据来说,你可以认为它同时处于这16种组合中的所有状态,至于它是通过什么门电路得到的,姑且先叫做“上帝之门”吧。

在量子世界里,量子比特可同时处于多种态,它可以是几种不同量子态当中的任意几种归一化线性组合,这种状态即我们常听的:量子叠加态。

对于传统计算机,在任意一个时刻,它只能处于其中的一种状态;而在量子计算机中,4个量子比特都可处于叠加态,也就是说能同时工作在上述16种状态中!

由此可见:1台n位的量子计算机= 2的n次方台n位的传统计算机并行工作。且每增加一位量子比特,能够表示的数据就呈指数倍增长。这就是谷歌量子计算机算力200秒=超级计算机苦干10000年!的数据由来。

如下在网上找到一张动态图很好的表示了这个特性:

更有趣的是,量子比特有个难以置信的特性就是:它可以处于量子纠缠态。简单的来说,处于量子纠缠态的两个量子,就像是两个心有灵犀的双胞胎,你动我也动,你不动我也不动,拷贝绝不走样。

这意味着我们只需要通过观测知道其中的一个状态,另一个的状态也就不言而喻了。而上面提到的“上帝之门”,也是利用了这个量子纠缠理论进行设计。

2. 量子计算两大威胁

51%攻击

在比特币挖矿中,算力确实意味着一切。

中科院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心研究员吴振华表示:

“对于4000量子比特攻破比特币,这个是有依据的,是比对了枚举法破解区块链所需要的计算能力和4000个量子比特的计算能力之后做出的判断。当然要求也很高,需要4000个量子纠缠的比特,同时要保证极低的错误率。”

而现实情况是,目前的量子计算机最多实现72比特的计算能力,并且越往上增加难度越大。而且第二代明星产品以太坊吸取了这个教训。其挖矿算法对计算能力要求不高,对内存读写速度要求高。而且随着人们对区块链的更加深度研究,挖矿已经不再是最为常见的共识方式。

传统加密算法攻击

传统的区块链,如比特币和以太坊,采用了经典的公钥加密技术来签署交易,而这些网络被认为是容易受到量子计算攻击影响的。

其它系统,例如zCash和Quorum,严重依赖于特殊的椭圆曲线以提供零知识证明功能,而一次椭圆曲线算法违约(ECC breach),便会威胁到这些账本的完整性。这将是重大的安全隐患,它会导致网络被全面破解,而大多数区块链使用了公钥密码哈希生成的地址来减轻这种威胁(例如比特币使用了双重SHA256)。

这个安全性的附加层,意味着公钥只有在其参与第一笔交易(即花费比特币)发生后,它才会暴露给账本。直到这一点,只有哈希接收方密钥(地址)被暴露,因此像Shor算法攻击并不适用于这个阶段。

但是,以下攻击向量仍然是适用的,即使当哈希密钥被利用时:

  1. 地址重用 :当一笔交易被签名时,公钥就会被揭露,因此,与其相关联的地址就不再是安全的了。尽管我们可建议每交易一次使用新的地址/密钥,但旧的比特币客户端和某些矿池仍然会重复使用地址;
  2. 被遗弃的币/资产:如果它们的相关地址不是通过哈希生成的,这些旧地址的公钥就会被暴露,例如2012年之前的比特币;
  3. 正在进行当中的交易:一旦你把一笔交易广播到网络上,并且它还没有被区块链所接受,那么这些交易就很容易受到攻击。当然,这个攻击的窗口机会是有限的,但理论上还是可能的,在交易被合法执行之前,攻击者可恢复私钥,然后用其签名另一笔交易,将资产转移到自己的地址当中;
  4. 交易被拒/失败的情况:如果签名的一笔交易没有通过,例如,由于给出的交易费过低,或者有恶意方阻止交易中继,或在验证过程中出现脚本错误,那么密钥将会受到攻击;
  5. 多重签名交易/混合交易:如果使用CoinJoin协议,这会在交易完成之前向其它各方揭示公钥。

当然,量子计算对于传统加密算法并不仅仅针对区块链。对几乎所有行业都有颠覆性的影响。一旦量子计算机变得普及,整个计算机行业就要被重新定义。

3. 抗量子加密算法

目前加拿大的量子计算机属于专用型量子计算机,它能够执行Grover算法,尚不能执行Shor算法。美国加州大学圣芭芭拉分校的量子计算机可以执行Shor算法,但量子位数太少。也就是说,目前的量子计算机尚不能对现有密码构成实际的威胁。

其实你能想到的潜在威胁,比你聪明的人早就想到了。出于对抗量子计算密码需求的紧迫性,国际上从2006年开始举办”抗量子计算密码学术会议”,每两年举行一次,至今已举办了4届。已经产生了一批重要的研究成果,让人们看到了抗量子计算密码的新曙光。

具体抗量子加密算法是什么原理,小维实在是不懂,只知道由清华大学出版社组织翻译出版了《抗量子计算密码》一书,里面有详细的说明。感兴趣的同学可以自行购买研究。

4. 小维洞见

相比区块链,量子计算绝对是更加能够颠覆人类文明的产物。而它现在正在慢慢的从理论走向实践,出现在大众视野。

目前看来,我觉得短期内(10年内)完全没有必要担心量子计算机的量子霸权带来的影响。

首先,量子叠加的稳定性,根据爱因斯坦的理论(事实证明也是如此),需要在绝对零度下才能保证。因此,在研究量子计算领域,只有绝对的有钱公司或者政府才能开展。至于商用的可能性,除非后期可以提供量子计算云服务。目前看来都在赛跑,不太可能拿出成果来分享的。

更重要的是:增加量子比特是一件很难的事情,算法都要重新定义。而且随着随着量子比特的增加,不稳定性会越来越大,错误率会越来越高。几个熊孩子好管,一群熊孩子就不好管了。

但是也不是说我们可以暂缓对量子计算的研究,还是要继续追赶美国。说不定可以弯道超车,梦想还是要有的。

5. 总结

其实吧,随着人类文明一次次的进步,我们更加要用知识武装自己。冷静思考下,不要被媒体带着到处跑——这个牛*,那个好*。

凡事升维思考下,世界大不一样。

 

作者:升维洞察;微信公众号:升维洞察

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题图来自Unsplash,基于CC0协议。

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评论
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  1. 哈哈,我昨天睡觉的时候,就想到这个问题。 今天就看到这篇文章

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    1. 这叫猿粪 :cool:

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  2. 期待大家关注我的公众号“升维洞察”,毕竟好多文章在人人产品经理平台审核通过

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  3. 银行的密码呢?能被攻破不。这个才是大头。

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    1. 依靠算力,理论上是可以攻破的,但是银行这种金融系统,都会有防入侵系统,你尝试多了,就把你封掉了。毕竟算力只是算的快。

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