Aleksey K. Fedorov, Evgeniy O.Kiktenko 和Alexander I. Lvovsky在一篇评论文章中讲到“如果不整合量子技术，比特币和其他加密货币将会崩溃。”相关文章以《Quantum computers put blockchain security at risk》为题，发表在近期的《Nature》上。
这篇文章将重点介绍量子技术是如何威胁区块链安全性的，以及如何使用量子安全加密和量子互联网技术增强区块链安全性且提高其性能。
区块链是一种数字工具，它使用加密技术来保护信息，避免其受到未经授权的更改。到2025年，高达10％的全球生产总值将存储于区块链中[1]。就其目前的形式而言，区块链技术使用了强大的加密技术，即使使用当今最强大的计算机，也几乎无法解密[2]。区块链相关产品广泛应用于金融，制造业和医疗保健领域，市场价值超过1500亿美元。
在这个信息就是金钱的时代，数据安全性，透明度和问责制至关重要。区块链是用于安全记录交易的数字分类帐系统。区块链由众多节点共同组成一个端到端的网络,不存在中心化的设备和管理机构。区块链安全性依赖于“单向”的数学函数，在传统计算机上难以反向计算，然而，利用量子物理学原理进行数据处理的量子计算技术，对区块的安全性构成了新的威胁。为了保持领先，科学家和开发人员已经在寻找方法来改进区块链，使其免受潜在风险的影响。
量子加密设备，使用纠缠原理编码，只有发送方和接收方才能访问数据
区块链安全性依赖于“单向”函数，在传统计算机上难以反向计算。例如，将两个大素数相乘很容易，但很难找到素因子，如果用传统计算机解决这一问题，将需要很多年的时间。
这些“单向”函数可用于生成数字签名，区块链用户引用这些签名来向他人验证自己的身份。这些很容易审查，但很难伪造。单向函数还用于验证区块链分类帐中的交易记录。散列是一个短比特序列，源于现有分类账和添加块的组合。当条目的内容发生更改时，就会改变。同样，查找一个块的散列（处理添加记录的信息）相对容易，但要选择一个产生特定散列的块则比较困难。这将需要反转过程以导出散列生成的信息。
比特币还要求散列符合数学条件。任何人想在分类帐上增加一个块，都必须让他们的计算机在达到那个条件之前进行随机搜索，直到达到该条件。此过程减慢了块的添加速度，为人们在网络中记录和审查所有内容留出了时间。它还阻止任何个人垄断网络管理，因为任何具有足够计算能力的人都可以参与构建块。
然而，在10年内，量子计算机将能够计算出单向功能，包括用于保护互联网和金融交易的区块链，广泛部署的单向加密将立即过时。
量子计算机利用物理效应（例如态的叠加和纠缠）来执行计算任务。它们目前的功能远不如传统计算机，但很快就能在某些任务上超越它们。这项技术仍处于发展的早期阶段，科学家估计，它可能还需要几年时间才能得到大规模的应用[3]。越来越多的公司正投资于量子计算系统，以供实际使用。量子计算将推动制造业、运输业、医学、能源等诸多行业的新一轮创新浪潮。
量子计算机较强的处理能力对区块链技术构成了威胁。因为单向函数是区块链唯一的防线，用户唯一的保护就是他们的数字签名，而银行客户受塑料卡，安全问题，身份审查和人工收银员的保护。当今最好的计算能力将需要数年时间来解密区块链的加密技术。量子计算机将有能力在更短的时间内完成相同的任务。
中国四川附近的比特币矿
数字签名的破解是目前最迫切的威胁。配备量子计算机的不法分子可以使用Shor算法伪造任何数字签名，冒充用户并使用他们的数字资产。大多数专家认为，十几年后将出现通用的量子计算机（一种能够进行各种计算的计算机）。然而，一些研究人员认为新兴量子计算设备可能会更早的出现并使用，例如由D-Wave，Google和其他公司开发的设备[4],[5]。
量子计算机可以快速找到解决方案，可能使少数用户能够审查交易，并垄断比特币添加到比特币分类账（称为采矿）。这些组织可能破坏交易，防止他们自己被记录或双重消费。一个国际研究团队强调了这种攻击的可能影响[6]，今年早些时候的一份报告描述了它的威胁并提出了可能的解决方法[7]。如果没有采取任何措施更新协议，一旦量子计算机可以使用，加密货币就会崩溃。
量子计算的安全风险并不局限于加密货币。根据创新者Mark Pesce的说法，大多数当前的应用程序，包括电子邮件、密码保护帐户和网站，使用的是相同的加密技术。这使得我们更容易受到量子计算的影响，并需要重新评估如何在加密货币和其他领域提供安全性。
量子安全加密与量子互联网
幸运的是，量子技术还提供了增强区块链安全性和性能的机会。量子区块链是一种新的分散式网络形式，作为一种可能的解决方案正在开发中。
量子安全加密。量子通信本身就是经过身份验证的，用户不能冒充他人。这些技术使用单个光粒子（光子）的状态来编码比特并进行通信。基础物理学规定量子态不能在不被改变的情况下被复制或测量。任何窃听者都会立即被发现。
量子加密可用于替换传统的数字签名并加密区块链网络中的所有对等通信。研究学者已经展示了这一简单的系统[8]。然而，量子密码网络的复杂性和成本将限制其应用。特别地，当前协议要求网络中的每个节点通过光纤通道彼此连接。即使信息流通过不可靠的节点，也需要协议来维护安全通信；这些系统已经开发出来了，但需要让消费者更容易获得。
光纤中的光子损耗是另一个技术挑战。这将现代量子密钥分配系统的范围限制在几十公里。解决方案是开发量子中继器，其使用量子隐形传态和量子光学存储器在通信方之间分配纠缠态。研究正在进行，但提供实用的设备还有很长的路要走。
在此期间，应加强单向函数。一些替代加密函数已经被提出了[9]，使用传统或量子计算机同样难以反转。虽然不是完全安全，但这些可以在现有硬件上运行并且可以争取时间，但是长时间内它们也会被破译。
量子互联网。使用量子技术进行通信以及区块链数据的计算处理将进一步增强安全性，使区块链变得更快，更高效。这一步骤需要 “量子互联网”[10]，通过量子通信网络连接量子计算机，这样就有可能完全运行量子区块链。这些步骤将绕过当前计算密集步骤中验证和共识过程，因此更有效，更安全。提出的量子比特币的安全性可以通过量子力学的不可克隆定理得到保证。如果这些量子“钞票”在未来仍然有必要，那么通过包含量子信息记录其就不可能被伪造[11]。
量子互联网距实现还有数十年之遥，因此“盲量子计算”是一个过渡。在这种情况下，使用传统计算机的用户可以在远程量子计算机上运行算法，而无需共享输入数据或算法。这项技术将使量子计算云平台成为可能，使区块链更便宜，更易于访问。
区块链业务需要更新其现有软件，以使用单向加密函数，这些函数使用传统或量子计算机同样难以逆转[9]。在这些量子解决方案建立或标准化之前，平台必须是灵活的，能够动态地更改加密算法[12]。
长期的解决方案是开发和扩大量子通信网络，以及随后的量子互联网。这将需要政府的大量投资。但是，各国将从其提供的更大安全性中受益[13]。例如，加拿大将其人口普查数据保密92年，只有量子加密可以保证。政府机构可以使用量子安全区块链平台来保护公民的个人财务和健康数据。
在量子技术领域领先的国家，如中国，美国和欧盟成员国，将成为早期采用者之一。量子计算可能带来“量子危机”,可能给国防、金融等部门带来新的安全风险；它们的影响可能是巨大的，需要对这些风险施加更大的紧迫性，有必要在“前量子时代”提前做好准备。
参考文献
[1] Marr, B. ‘How Blockchain Technology Could Change The World.’ (Forbes, 27 May 2016).
[2] Nakamoto, S. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System (Bitcoin, 2008).
[3] Shor, P. W. in Proc. 35th Ann. Symp. Found.Comp. Sci. 124–134 (IEEE Comp. Soc. Press, 1994).
[4] Peng, X. et al. Phys. Rev. Lett. 101, 220405(2008).
[5] Anschuetz, E. R., Olson, J. P.,Aspuru-Guzik, A. & Cao, Y. Preprint at https://arxiv.org/abs/1808.08927(2018).
[6] Aggarwal, D., Brennen, G. K., Lee, T.,Santha, M. & Tomamichel, M. Preprint at https://arxiv.org/abs/1710.10377(2017).
[7] Stewart, I. et al. R. Soc. Open Sci. 5,180410 (2018).
[8] Kiktenko, E. O. et al. Quantum Sci. Technol.3, 035004 (2018).
[9] Bernstein, D. J. & Lange, T. Nature 549,188–194 (2017).
[10] Kimble, H. J. Nature 453, 1023–1030 (2008).
[11] Broadbent, A. & Schaffner, C. Des. CodesCryptogr.78, 351–382 (2016).[12] Gheorghiu, V., Gorbunov, S., Mosca, M. &Munson, B. Quantum-Proofing the Blockchain (Univ. Waterloo, 2017); available at
https://go.nature.com/2b2uvft
[13] Chapron, G. Nature 545, 403–405 (2017).
文章链接
https://www.nature.com/articles/d41586-018-07449-z
友情提示：点击下面“阅读原文”即可转到原文地址查看原文
编辑推荐
两江科技评论
精彩回顾
2. 《自然•光子学》: 上海交大金贤敏团队在光量子计算机集成化上取得进展
5. 芯片级的单光子量子光源
两江科技评论编辑部
免责声明：本文旨在传递更多科研信息及分享，提供志同道合者的交流平台。如涉及侵权，请联系下方邮箱，我们将及时进行修改或删除。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
邮箱：zunzun@imeta-center.com
微信号：18796017560