量子计算与区块链密码学

来源:区块链 财经新闻 百科
2019-11-05 10:08:08

  量子计算对区块链网络的最大威胁是它具有打破传统加密的能力。

谷歌在互联网上引起了轩然大波,当它被宣称已经建立了一台量子计算机,能够解决以前不可能的数学计算时,一些人担心加密产业可能面临风险。谷歌表示,它的实验是对扩展的Church-Turing论文的第一个实验挑战,也被称为可计算论文,该论文声称传统计算机可以有效地执行任何“合理”的计算模型。

什么是量子计算?

量子计算是发展计算机的研究领域基于量子理论原理的技术。量子计算机,遵循量子物理定律,将获得巨大的处理能力,通过处于多种状态的能力,并利用所有可能的排列同时执行任务,这将获得巨大的处理能力。

经典计算VS量子计算

经典计算在其终极层次上依赖于布尔代数所表达的原理。在任何时间点或位上,数据都必须以独占的二进制状态进行处理。虽然每个晶体管或电容器在切换状态之前需要处于0或1的时间可以用十亿分之一秒来测量,但是这些设备切换状态的速度仍然是有限的。随着我们向更小、更快的电路发展,我们开始达到了材料的物理极限以及应用经典物理定律的极限。除此之外,量子世界占据了主导地位。在量子计算机中,一些基本粒子(如电子或光子)的电荷或极化可以用来表示0或1。这些粒子中的每一个都被称为量子比特,或者量子位,这些粒子的性质和行为构成了量子计算的基础。

量子叠加和纠缠

量子物理学中两个最相关的方面是叠加和纠缠原理。

叠加: 把量子位想象成磁场中的电子。电子的自旋可能与场一致,即自旋向上的状态,也可能与场相反,即自旋向下的状态。根据量子定律,粒子进入一种状态叠加,在这种状态下,它的行为就好像同时处于两种状态。所利用的每一个量子位都可以是0和1的叠加。

纠缠: 在某一点上相互作用的粒子保持一种连接,它们可以成对地相互纠缠,这个过程称为关联。知道一个被纠缠的粒子的自旋状态——向上或向下——允许一个人知道它关联的自旋是相反的方向。量子纠缠允许量子位元之间以令人难以置信的距离相互作用(不限于光速)。

无论相关粒子之间的距离有多远,只要它们是孤立的,它们就会纠缠在一起。总的来说,量子叠加和纠缠创造了一个巨大的增强计算能力
权力。普通计算机中的2位寄存器在任何给定时间只能存储四种二进制配置(00、01、10或11)中的一种,即2-量子位量子计算机中的寄存器可以同时存储所有四个数字,因为每个量子位代表两个值。如果增加更多的量子位元,增加的容量就会成倍地扩大


量子计算机的难题

干扰
在量子计算的计算阶段,量子系统中最轻微的干扰(比如杂散的光子或电磁辐射波)都会导致量子计算崩溃,这一过程称为脱相干。在计算阶段,量子计算机必须完全与外界的干扰隔绝。

误差修正
考虑到量子计算的本质,误差修正是非常关键的——即使是一次计算中的一个小错误都可能导致整个计算的崩溃。

输出仪式
与上述两者密切相关的是,在量子计算之后检索输出数据是完全有可能破坏数据的。

什么是量子霸权?

据英国《金融时报》报道,谷歌声称已经成功建造了世界上最强大的量子计算机。根据谷歌的研究人员的说法,这意味着通常需要1万年以上才能完成的计算,它的计算机可以在大约200秒内完成,这可能意味着区块链及其背后的加密技术可能被破解。

加密中使用的非对称密码术依赖于密钥对,即私钥和公钥。公钥可以从它们的私有副本计算,但反过来不行。

这是由于某些数学问题不可能解决的缘故。量子计算机在这方面的效率更高,如果用另一种方式计算,那么整个方案就会失效。看来谷歌离制造一台可能对区块链密码学或其他加密技术构成威胁的量子计算机还有一段路要走。

  “谷歌的超级计算机目前有53个量子位,”伦敦帝国理工学院的量子计算和加密研究员Dragos Ilie说。“为了对比特币或其他大多数金融系统产生影响,至少需要1500个量子位,而且系统必须考虑到所有这些量子位的纠缠”。

同时,根据Ilie的说法,扩展量子计算机是“一个巨大的挑战”。

包括比特币架构在内的区块链网络依赖于两种算法:用于数字签名的椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)和作为哈希函数的SHA-256。量子计算机可以使用肖尔算法从你的公钥中获取你的私钥,但最乐观的科学估计认为,即使这是可能的,在这近十年内也不会发生。

在量子计算机上,一个160位的椭圆曲线密钥可以用大约1000个量子位来破解,而RSA的1024位模数需要2000个量子位”。相比之下,谷歌微不足道的53位仍然无法与这种密码术匹敌。

但这并不是说没有理由惊慌。虽然区块链应用程序使用的本地加密算法目前是安全的,但事实是量子技术的进步速度正在加快,假以时日,这可能会构成威胁。谷歌的研究人员说:“我们预计他们的计算能力将继续以双指数速度增长”。

量子密码学?

量子密码学利用物理学来开发一个完全安全的密码系统,在不知道消息的发送者或接收者的情况下,不会受到攻击。

量子这个词本身指的是物质和能量的最小粒子的最基本的行为。量子密码系统与传统密码系统的不同之处在于,它的安全模型更依赖于物理而不是数学。

从本质上讲,量子密码学是基于利用单个粒子/光波(光子)及其固有的量子特性来开发一个不可攻破的密码系统(因为不干扰该系统就不可能测量任何系统的量子状态)。

量子密码学使用光子来传输密钥。一旦密钥被传输,就可以使用普通的密钥方法进行编码。但是光子是如何成为钥匙的呢?如何将信息附加到光子的自旋上呢?

这就是二进制代码发挥作用的地方。每种类型的光子自旋代表一条信息——通常是二进制码的1或0。这段代码使用1和0组成的字符串来创建一致的消息。例如,11100100110可以与h-e-l-l-o对应。所以二进制代码可以分配给每个光子——例如,一个具有垂直自旋(|)的光子可以分配给一个1。

苏黎世理论物理研究所的物理学家雷纳托·雷纳说:“如果你建对了,没有黑客能黑掉这个系统。问题是正确地建造它意味着什么?”。常规的非量子密码可以以多种方式工作,但通常情况下,消息是被打乱的,只能使用秘密密钥进行解密。关键是要确保你想要隐藏你的信息的人不会拿到你的密钥。在现代密码系统中,破解私钥通常需要计算出一个数字的因数,这个数字是两个大得离谱的素数的乘积。

这些数字被选得如此之大,以至于在给定计算机处理能力的情况下,一个算法分解它们的乘积所需的时间将超过整个宇宙的寿命。且我们不得不承认加密技术有其弱点。并且某些产品就是碰巧比其他产品更容易分解。此外,摩尔定律不断提高着我们电脑的处理能力。更重要的是,数学家们在不断地开发新的东西允许更容易因式分解的算法。

量子密码学避免了所有这些问题。在这里,密钥被加密成一系列光子,这些光子在试图共享机密信息的双方之间传递。海森堡测不准原理指出,对手无法在不改变或摧毁光子的情况下观察它们。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室从事量子密码学研究的物理学家理查德·休斯(Richard Hughes)说:“在这种情况下,不管对手有什么技术,他们永远都无法打破物理定律。”


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