如果量子计算机威胁到区块链,量子区块链可能就是防御机制


翻译:艾米

来源:Emerging Technology from the arXiv

编辑:格鲁特の助理

 

最新背景:

CES2018上,英特尔keynote演讲甩出49量子比特(qubits)超导量子计算测试芯片“Tangle Lake”,震撼全场,在争夺量子霸权的路上,科技巨头激烈厮杀,那么量子计算的魅力究竟有多大,竟能引得谷歌、英特尔、IBM等科技巨头纷纷“折腰”进军呢?举个例子,目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光,运算速度是每秒9.3亿亿次;而一台50量子比特的运算速度将达到每秒1125亿亿次,瞬间秒杀世界最强超级计算机。

 

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量子计算机可以破解传统区块链所依赖的密码学。

目前物理学家们认为利用量子粒子在时间上的纠缠技术可能会阻止这类攻击。

区块链是按照时间的推移来存储数据的一种数学结构。比特币基于其底层的区块链技术来安全地存储货币交易信息。区块链技术可以存储任何种类的数据,比如船运数据,计算机程序的进程,智能合约,等等。由此看来,区块链确实有望成为推动21世纪发展的技术。

 

但是区块链技术却有个致命的弱点。

 

区块链的安全性是通过一个标准加密函数得到保证的。因为破解这个函数需要巨大的计算资源,而如此巨大的计算资源一般都很难得到,所以相对来说区块链是安全的。

 

 

但是这种安全性可能会随着量子计算机的出现而改变。随着量子计算机设备的发展,破坏这种加密保护会变得轻而易举。但是由于量子计算机无法破解量子加密代码,很多团队建议在区块链中加入量子密码以确保其安全性。

新西兰惠灵顿维多利亚大学的Del Rajan(数学与统计学院博士生)和Matt Visser(数学与统计学院教授及博士生导师)目前正在研究有关量子区块链的课题,他们说“其实有一个更好,更基础的解决方案。”。量子密码学只是为标准区块链协议添加了一个量子层。

 

相反,他们建议把整个区块链变成一种量子现象。

 

他们的想法是用量子粒子创建有时间标记的区块链。从而在不破坏当前区块的前提下,使单个的量子粒子以一种不可能被入侵的方式对前面的所有区块历史进行编码。这样的协议完全靠物理定律保证其安全性。然而,这也会带来一些不寻常的副作用。“这个去中心化的区块链可以被看作是一个量子网络时间机器,”Rajan和Visser说。

 

先插入一些背景知识。

 

区块链只是一个记录特定类型信息的分账,例如:货币交易信息。交易信息不断地被加入到叫做区块的数据库中,但是在既定的时间周期结束时,区块会被一个叫做哈希函数的数学工具加密。

由此产生一个能够代表区块内数据的唯一编码。这个唯一编码然后会被加入到下一组交易信息的区块(即第二个区块)中。

一段时间之后,第二个区块中的唯一编码和交易信息一起经过哈希函数加密产生一个新的唯一编码。这样继续下去就会创建一条所有信息都嵌套在最新的区块中的链条,区块链由此得名。

任何想要伪造历史记录的人都需要找到一种不改变哈希函数输出结果方法。而一般的传统计算机根本无法完成如此具有挑战性的运算。但是随着量子计算机即将问世,哈希算法也很有可能会被破解。

因此Rajan和Visser提出了一种完全量子化版本的区块链。其核心现象被称为entanglement(量子纠缠)。当两个量子粒子发生纠缠时,他们会处于一种相同的存在状态。他们会在空间和时间的同一点上相互影响。当其中一颗被测量(例如:量子观测)时会立即影响另一个的状态,无论他们之间相隔多远。

什么是量子纠缠?

在经典计算机里,存储的信息单位是比特(bit),比特使用二进制,也就是说一个比特表示的不是“0”就是“1”。

但是,在量子计算机里,情况会变得完全不同,量子计算机的信息单位是量子比特(qubit),量子比特可以表示“0”,也可以表示“1”,甚至还可以是“1”和“0”的叠加状态(superposition),即同时等于“0”和“1”,而这种状态在被观察时,会坍塌成为“0”或是“1”,也就变成了确定的值,其实也就和经典量子理论“薛定谔的猫”是一个道理(把一只猫放到一个不透明的特殊盒子中,在打开盒子前,这只猫既可能是死的,也可能是活的,打开后,两种可能性才坍塌到其中一种)。除此之外,两个量子比特还可以共享量子态,无论这两个量子比特离得多远,也就是所谓的“量子纠缠”(entanglement)。

而能够确保安全性的是:量子纠缠极其脆弱。对于其中一个粒子的测量会立刻破坏它。因此如果一个恶意用户尝试影响两个粒子中的一个,另一个立刻就能发现。

为什么说量子纠缠脆弱:

成也萧何败萧何,量子计算之所以能达到如此神速,就是因为量子比特的叠加状态和量子纠缠,但与此同时,量子叠加和纠缠状态是极度脆弱的,不能受到一丁点干扰,量子计算机必须在极度低温条件下工作,低到什么程度呢?零下273摄氏度差不多吧,这就好比拿一根很细很细的针顶起一个鸡蛋,稍有干扰,结果就会变得一片狼藉。

量子粒子纠缠不仅可以跨越空间发生,也可以跨越时间发生。也就是说,现在的粒子可以和过去存在的粒子发生纠缠现象。而且对于现在粒子的观测会立即影响之前所有的粒子。

这就导致了一些微妙而且反直觉的逻辑发生。举个例子:假如存在一种特殊的量子感应使影响过去成为可能。当然,对于这个“可能”是有严格限制的。例如:设置一系列会抹杀你的祖父但是确保你仍然能存在的事件就是不可能的。因为这种矛盾是不被允许的。

这样会使的因与果的分辨变得更加困难。另一个现象是:增加通过时间传递的信息量变得可能。

 

Rajan和Visser尝试利用这种时间上的纠缠来创造量子区块链。

 

他们的基础思想是:在一个量子粒子上对数据进行加密处理,使它成为第一个量子区块。当有更多的可用数据之后,将更多数据与第一个量子粒子操作后产生的数据结合在一起与第二个粒子进行纠缠。然后将前一个粒子丢弃,第一个区块内的交易信息就会嵌入在第二个区块中。同样以相同的方式增加第三个区块,由此创造出一条量子区块链。

这条区块链是绝对安全的,因为任何尝试篡改它的行为都会立即破坏脆弱的量子纠缠,使它失效。这就是量子纠缠的优势。

量子区块链还有另外一个优势:所有之前的区块都是完全无法篡改的。“攻击者甚至根本找不到前一个量子,因为它已经不存在了。”Rajan和Visser说。“时间上的量子纠缠提供的安全性远比空间上的高得多。”

更重要的是,实现这项技术所需的大多数技术目前都已经存在,至少从理论上来讲是这样的。“这个设计中的所有子系统的可行性都已经在实验中被证明了。”Rajan和Visser说。

 

这是一项很有意思的工作,随着更强大的量子计算机的出现,这项工作会变得更加重要。目前IBM已经拥有一台50量子位的量子计算机,更强大的机器正在准备中。量子计算机能够破坏区块链的信任机制只是时间的问题。

补充下量子计算的劣势:

虽说理论上来说,量子计算机计算能力惊人,但是量子计算机也存在致命的缺点,主要有两点,这也是量子计算机一直发展缓慢的主要原因,第一是非常不稳定,需要低温运行,第二是精度差,错误率高。

但是实现这种量子区块链所必需的基础设施的关键部分——量子网络,还未出现。

量子网络是在不破坏量子特性的前提下通过量子路由器传输量子信息的网络。这种系统目前正处在设计阶段而且预计会在未来几个月或几年内在欧洲、美国、中国盛行。

事实上,与其说建设这样一个系统是一项基础物理学任务,不如说它是一项工程任务。量子区块链的实现只是时间的问题。当然这个协议是否会成为最好的解决方案还是另一个问题。

或许Rajan和Visser可以充分利用自己的量子时间机器来发现未来哪项技术会成功

 

来源: Emerging Technology from the arXiv 一个收集物理学、数学、计算机科学与生物学的论文预印本的网站。

  补充阅读

也有人提出,未来可能会出现“量子区块链”,量子计算可以帮助区块链升级,而不是瓦解它,它们的关系没有那么简单……

视频来源:投将

 

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