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在量子计算面前,区块链的非对称加密还安全吗?

2019-07-01栏目:区块链

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  当前区块链技术及其应用程序之所以会备受推崇的一个重要原因就是其采用了非对称的加密方法。在当前计算技术条件下,采用这种技术加密过的数据库是"牢不可破"的。所以,一个问题产生了:区块链技术伟大的前提是受限于当前的"技术状态",如果计算领域出现新突破,那么这一技术还会这么有用吗?

  当前基于区块链的系统可能会容易受到设计中未考虑到因素的威胁。这种威胁时刻存在。

  在过去的三十年里,物理学家在建造可操作的量子计算机方面所取得的进展很快就会促成这种威胁的出现。量子计算机在特定情况下可以完胜传统计算机,随着量子计算机的出现,它将在计算领域具有里程碑式的的意义。未来量子计算是否会干掉区块链成了当下人们关注的一个焦点问题。

  什么是量子计算机?

  量子计算机是利用量子力学原理进行计算的装置。为了让计算机更好地理解和计算,普通计算机采用一种称为二进制的数制,只有0、1两个基本算符。而量子计算则是在比传统计算机更小的水平上实现的,它使用的是半位串,可同时计算二进制数0和1。

  随着时间的变化量子位的数量不断递增

  量子理论中有一个术语—"纠缠",当两个粒子纠缠在一起时,它们存在于相同的量子状态。无论它们之间的空间距离有多远,只要其中一个粒子状态发生改变那么相应的另一个粒子状态也会发生改变。以这种方式配对量子比特导致量子计算机的计算能力呈指数增长。

  叠加态是进行计算所必需的,它很难达到,也很难维持。物理学家使用激光和微波光束将量子位元置于这种工作状态,然后使用一系列技术使其免受最轻微的温度波动、噪音和电磁波的影响。由于工作环境的脆弱性,目前的量子计算机非常容易出错,在大多数操作执行之前,工作环境的脆弱性会在一个称为消相干的过程中消散。

  量子计算能力是由一台机器可以同时利用多少量子位来决定的。20世纪90年代末最初的量子计算机只能使用两个量子位,而今天由谷歌操作的最强大的量子计算机可以使用多达72个量子位。

  量子计算和区块链

  区块链去中心化的加密技术保证了信息的不可篡改,其所具有的安全性是公认的。这也是该技术能大规模使用的重要原因之一。然而,量子计算的出现将有可能破解用于保护常规区块链及一般互联网体系的加密散列机制。这意味着量子计算很有可能被用于实施欺诈交易并窃取加密货币,威胁区块链的未来安全前景。

  量子计算机的潜在应用范围很广。其与区块链技术和密码学最相关的一个应用是它拥有现有计算机几个数量级的运算能力,这使得它可能能同时更改目标区块以及所有与之连接的区块,成功破解区块链的加密技术。

  量子计算的概念源起于十九世纪八十年代,然而人们真正认识到量子计算的威力是在大约十年后。

  1994年,美国麻省理工数学家彼得·舒尔(Peter Shor)提出了一个针对整数分解问题的量子算法,即舒尔算法(Shor's algorithm),宣称可以在量子计算机上多项式时间内分解大整数。这是一个非常具有轰动性的结论。这一算法一旦投入使用,那么它可能会使当下的许多加密技术失效。

  俄罗斯量子计算中心的一组研究人员在《自然》杂志的一篇文章中提到,区块链技术的一个潜在的风险源于其过于依赖单向函数,在单向函数中,几乎不可能通过输出结果反解出输入值。因此,作为一个单向函数,不能双向使用。换句话说,我们不可能通过散列值算出原始输入数据。这意味着,散列值不会泄露任何输入数据的内容,正如一个独立的指纹不会向我们透露指纹创造者的任何信息。因此,单向函数也叫做不可逆函数。这一加密技术被广泛应用于区块链上的数字签名并对分类帐上的交易进行验证。

  但配备功能性量子计算设备的犯罪分子能够以极快的速度执行反向计算,所以他们便能够伪造签名,冒充其他用户并获得对其数字资产的访问权。在区块链技术条件下,他们可以篡改交易纪录。

  俄罗斯研究人员建议加密系统的架构师应立即开始采取预防措施,他们表示目前他们已经开发并测试出世界上第一条不会受到未来量子计算机加密破解攻击影响的区块链。

  据他们所说,这项工作的关键,在于放弃目前有助于保护区块链交易的部分内容。他们在量子安全区块链设置当中,彻底去除了数字签名机制。相反,他们利用量子密码学技术进行验证。量子密码技术依赖于纠缠态粒子的存在,研究人员们在系统当中使用所谓量子密钥分配机制,从而确保无人能够窃听其私人通信内容。

  通过量子信道进行通信的各方能够完全确定通信方的真实身份,而无需担心身份伪造问题。这正是量子通信的核心意义所在。他们实验过的系统已经在一套三节点(计算机)网络上完成了测试。但需要强调的是,尽管该团队已经宣布取得成功,但目前此项研究仍然处于假设阶段,且研究本身尚未接受同行评审。

  他们的这一想法与新西兰维多利亚大学的Del Rajan和Matt Visser在最近的一篇研究论文中表达的想法有些一致。他们提出放弃使用量子加密技术,并直接跳跃使区块链成为一个基于量子的系统。

  在量子区块链中,区块中的记录被编码为一系列彼此纠缠的光子。这些区块通过时间纠缠按时间顺序连接。

  由于构成量子区块链的区块会在由量子计算机构成的网络之中相互传输,编码每个区块的光子得以被创建、再被组成网络的节点吸收。然而,纠缠将这些光子在时间尺度上连接起来。

  在这种情况下,黑客不能篡改过去的任何光子编码记录,因为这些光子在当前时间之内不再存在——它们早已被吸收。黑客最多能做到的就是试图篡改最新的光子(即最近的区块)。而成功执行这样的操作将使该区块无效,从而告知其他区块——它已被黑客入侵。Rajan说:"从理论上来说,这比标准情况下攻击者能够篡改任何区块的情况安全性更高。"

  量子计算会威胁到区块链的安全性吗?

  虽然学术界提出的解决方案可能还需要几十年的时间才能实现,但量子计算和量子密码学的大量实际研究和开发正在进行中。量子计算应用领域的专家们对量子计算威胁的紧迫性看法不一。

  麻省理工学院研究员、预测分析平台Endor Protocol首席执行官兼联合创始人Endor Protocol表示:

  "量子计算的发展速度超过了大多数人的预期。然而,他们并不会威胁到区块链技术。每年,当新的硬件发布时,都会重新引发人们对区块链安全性的担忧,但目前没有证据能表明量子计算可以破坏区块链的安全性。"

  量子计算公司IonQ的首席运营官Stewart Allen认为,当量子计算发展到足以威胁到当今区块链技术的安全性的时侯,区块链的安全系统将会找到一种新的加密算法。

  他表示:"在短期内,量子计算机并不存在破解区块链加密技术的能力。如果这种情况真的发生了,我们将转向量子抗性算法。但我预计量子计算要破解区块链的加密技术至少还需要十年时间。"

  然而,其他人并不完全赞同他们的这种乐观看法。

  ILCoin执行董事Norbert Goffa对可能出现的量子动力矿池表示担忧:

  "如果有人拥有一个基于量子的矿池,那他就很容易控制其他人。今天,我们还没有任何基于量子的采矿机器。另一方面,许多公司一直致力于基于量子的计算技术。我们相信,在未来5年内,这将成为现实。也许更快,谁知道呢?"

  QBRICS Inc 的首席执行官兼联合创始人Rakesh Ramachandran强调,量子计算几乎会对密码学应用的每一个领域产生影响。他说,就区块链技术而言,我们可能会出现系统性转变:

  "量子计算机将不仅影响到区块链的加密方法,它还影响到其他应用到加密技术的领域,比如像线上银行。目前大量的研究工作正在进行,以减少这一影响,并转向抗量子密码学或后量子密码学。然而,区块链技术现在面临的的威胁不仅是量子计算,还有它将如何升级到新的密码学版本。"

  随着时间的推移,所有专家在量子计算是否会影响到区块链的安全性这一问题上给出的答案惊人的相似。他们都认为这一影响在5到10年内就会出现。在应对量子攻击带来的威胁时,他们的做法也非常一致:大多数人都认为,有必要逐步转向量子抗性算法,并建立支持这种技术的基础设施。区块链技术必须不断进步。但总体来说,大家都认为量子计算技术不太可能从根本上威胁到区块链。