量子计算将会如何影响区块链技术

2019年9月谷歌研究人员发布的一篇论文声称谷歌的量子计算机已实现了“量子霸权，论文9月被撤下，12月又重新发布。量子计算和密码学、区块链加密技术息息相关，自那时候起，“量子计算”相关的讨论就没有停止过。本文作者的主要观点是，量子计算机在未来十年可能会突破，抗量子计算的区块链会成为新的趋势，比特币也许需要新的算法升级。

1.什么是量子计算？

量子计算是一种处理数据和解决问题的新方法，与日常设备中广泛使用的经典计算不同。过去被认为不可能的量子计算机已经从“能不能实现”跨越到“ 什么时候实现，对于量子计算机来说，目前剩下的只是时间问题。

传统计算机显然无法破解需要大量的计算资源才能攻破的区块链加密，因此，区块链的加密功能被认为是安全的。然而，一台量子计算机可能会在几天之内跨越这道传统计算机无法逾越的鸿沟。

虽然这种威胁目前只存在于理论中，但有人预计它可能在十年后实现。

量子力学是在亚原子尺度上描述行为和定律的物理学领域，量子计算机背后的核心思想是，通过利用量子力学来超越传统计算机的范围。

与经典力学相比，量子力学不易掌握，两者受完全不同的定律支配。正如诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）曾经说过的那样：“如果您认为自己了解量子力学，那么您对此就一无所知。”

在量子理论中，亚原子粒子可以在多个地方同时存在-叠加-时间变得不确定，甚至还能通过所谓的量子纠缠完成瞬移。量子计算机可能会从这些听上去科幻的特征中受益。

传统计算机处理器的晶体管使用「0」或「1」的编码实现程序运行，而量子计算机使用一种叫「量子位」的执行手段，将「0」和「1」编码为两种不同的状态，并利用它们的“叠加”和“纠缠”。换句话说，「量子位」的手段可以让计算机同时执行大量计算工作。

今天，量子计算领域的领跑者是美国科技巨头IBM和谷歌，英特尔和微软紧随其后。亚马逊也正在加入这个赛道，2019年12月，亚马逊已宣布在其AWS服务器上提供量子计算服务。

谷歌甚至声称已经实现了「量子霸权」，这是量子计算的一个里程碑，量子设备可以解决传统计算机无法解决的问题。

2.量子计算对区块链构成威胁吗？

简单来说，答案是肯定的，但也需要考虑到一些细节。

首先，量子计算本身并不是对区块链的威胁，而是对使用该技术的项目的威胁。尽管当今的量子计算机无法破坏区块链及其底层的密码学，但即将出现的超级计算机确实是一种威胁，需要为此做好准备。

尽管量子计算机可能具有破坏当今区块链密码学的能力，但当世界采用抗量子区块链甚至节点依赖量子计算机的分布式分类账技术时，这种威胁可以减少到零。

3.量子计算会威胁哪些加密算法和区块链？

强大的量子计算机可能会威胁到所有使用ECDSA（椭圆曲线数字签名算法）的区块链，包括比特币和以太坊。

ECDSA已成为在公钥密码系统下创建密钥的通用标准，在大多数区块链中被用于验证签名交易。该算法创建出一个随机的256位私钥和一个允许使用者安全分享的公钥，在通常情况下，几乎不可能通过公钥信息破解出私钥，但是量子计算机可以采用一种算法来破解公钥和私钥之间的数学关系，从而得到私钥。

比特币是区块链的第一个实际使用案例，目前比特币已成为主流并吸引了许多机构投资者，这使比特币成为数字货币中第一个被保护免受任何潜在威胁（包括量子计算机）的实验体。

2017年，在比特币爆炸式增长的同时，新加坡国立大学的Divesh Aggarwal及其同事研究了量子计算机对比特币的威胁。他们是最先得出危险即将来临的结论之一，他认为，“比特币使用的椭圆曲线签名算法正处于危险之中，未来量子计算机可能会在2027完全破解这种算法”。

量子技术的发展似乎比预期中进展更快，2019年12月，谷歌宣布已实现“量子霸权”，这表明它已经建造了一台能够解决以前无法解决的数学任务的计算机。

对此以太坊的联合创始人Vitalik Buterin、商人Andreas Antonopoulos和其他加密领域的专家则表示并不惧怕谷歌的这种创新。

4.区块链与量子威胁的最新进展

目前解决潜在的量子威胁的主要有两种方式：一种是为现有区块链协议创建抗量子层以提高其安全性，第二种是从头开始创建抗量子区块链。

第二种方法的实现手段之一是使用扩展默克尔签名方案（XMSS），这是一个基于散列的签名方案，相对不易受量子计算机的攻击。目前，美国国家标准技术研究院（NIST）拥有XMSS的批准草案，与ECDSA一类的通用密码算法不同，XMSS一类的算法以及类似的基于哈希的签名方案称为Leighton-Micali（LMS），由于其具有抵御量子计算机攻击的能力，因此更加先进。但是，NIST 称XMSS和LMS都容易被滥用，因此需要进行一些修改以解决滥用问题。

迄今为止，由NIST发起的大型竞赛已收到80多项参赛作品。竞争的目标是选择最佳的后量子密码算法。有趣的是，美国国家安全局（NSA）也表示愿意从NIST提交中受益。

早在2015年，美国国家安全局就表示，计划将美国国家安全系统转移到后量子的公共密钥加密技术上。过去的几年里，NSA持续与相关领域的佼佼者合作，以确保其具有足够的抗量子算法，可以保护美国的安全系统。截至目前，只有少数实体在抗量子区块链上工作，这种趋势预计在未来几年会扩大。

5.比特币是否必须升级其基础设施以变得具有量子抗性？

虽然目前量子计算机尚不对比特币构成威胁，但这个最古老的加密货币将来可能需要升级。

比特币主要用到两种安全技术手段，即哈希函数和ECDSA算法，后者更容易受到量子计算机带来的风险的影响，将来可能需要额外的保护。

2017年，Andreas Antonopoulos对此发表观点称，当量子计算机能破解椭圆曲线算法时，我们应该为比特币的升级做好准备。