《自然》杂志：量子计算机将在十年内破解区块链的加密密码

到 2025 年，全球高达 10% 的国内生产总值可以存储在区块链上。 区块链是一种数字工具，它使用密码学来保护信息免遭未经授权的更改。 它位于比特币加密货币的根源。 区块链相关产品广泛应用于金融、制造、医疗等领域，市值超过1500亿美元。

当信息就是金钱时，数据安全、透明度和问责制就变得至关重要。 区块链是一种安全的数字记录或分类帐。 它由世界各地的用户维护，而不是由中央管理部门维护。 诸如是否向分类账添加条目（或块）之类的决定是基于共识的，因此个人信任不是其中的一部分。 网络内外的任何一方都可以通过简单的计算来检查分类账的完整性。

但在十年内，量子计算机将能够破解区块链的加密代码。 在这里，我们关注量子技术如何使区块链变得脆弱，以及它们如何使它们更加安全。

单向码

区块链安全依赖于“单向”数学函数。 这些在传统计算机上运行起来很简单，而且很难逆转。 例如，将两个大素数相乘很容易量子计算机比特币破解，但找到给定乘积的素因数却很困难，使用传统计算机可能需要数年时间才能解决。

这些功能用于生成区块链用户引用的数字签名，以向他人验证自己的身份。 这些很容易检查并且很难伪造。 单向函数还用于验证区块链分类账中的交易历史。 哈希是从现有分类帐和要添加的块的组合派生的短位序列。 只要条目的内容发生变化，它就会发生变化。 同样，找到一个块的哈希值（处理添加记录的信息）相对容易，但很难选择一个将产生特定哈希值的块。 这将需要反转过程来导出生成哈希的信息。

比特币还要求哈希在数学上是兼容的。 任何希望将区块添加到分类帐的人都必须让他们的计算机运行随机搜索，直到满足该条件。 这个过程减慢了添加块的速度，让网络中的每个人都有时间记录和检查所有内容。 它还可以防止任何个人垄断网络管理，因为任何拥有足够计算能力的人都可以贡献区块。

然而，在十年内，量子计算机将能够计算用于保护互联网和金融交易（包括区块链）的单向函数。 广泛部署的单向加密将立即过时。

信息安全以前曾面临过这种规模的灭绝。 例如，在第二次世界大战期间，德国军事信息使用 Enigma 机器进行编码和解密，最初为轴心国提供了优势，直到盟军破解了 Enigma 密码。 1997 年，数据加密标准（一种用于加密当时最先进的电子数据的算法）在公开竞争中被破解，以证明其缺乏安全性。 这导致了第二次开发新协议的竞赛，这导致了今天的高级加密标准。

量子优势

量子计算机利用状态叠加和纠缠等物理效应来执行计算任务。 它们目前远不如传统计算机，但很快就会在某些任务上超越它们。 正如数学家彼得·肖尔 (Peter Shor) 在 1994 年指出的那样，其中一个例子就是破坏基于加密算法的安全协议。 区块链尤其面临风险，因为单向功能是其唯一的防线，对用户的唯一保护是数字签名，银行客户受到塑料卡、安全问题、身份检查和人工收银员的保护。

因此，破解数字签名是最紧迫的威胁。 配备量子计算机的坏人可以使用 Shor 的算法伪造任何数字签名，冒充用户并花费他们的数字资产。 大多数专家都认为，这样的壮举需要一台通用量子计算机（能够执行各种计算的计算机），而这还需要十多年的时间。 然而，一些研究人员认为，这可能会更早发生，使用功能更有限的新兴量子计算设备，例如由计算公司 D-Wave、谷歌和其他公司开发的设备。

量子计算机可以快速找到解决方案，有可能使少数拥有量子计算机的用户能够审查交易并垄断将比特币添加到比特币分类账中（称为挖矿）。 这些人可以破坏交易，防止他们自己的交易被记录或双重支付。 一个国际研究团队强调了此类攻击的可能影响，并在今年早些时候发布了一份报告，描绘了威胁并提出了可能的解决方案。

如果不采取任何措施来更新协议，一旦量子计算机可用，加密货币就会崩溃。

事实上，加密货币已经在崩溃。 比特币昨日暴跌 16% 至 4,100 美元以下，创今年新低。 该数字货币跌至 2017 年 9 月以来的最低点，本周下跌约 30%。 去年 12 月 18 日，比特币价格创下历史新高 19,511 美元。

提高安全性

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。

量子安全加密。 量子通信本身是经过身份验证的，任何用户都不能冒充他人。 这些技术使用单个光粒子（光子）的状态来编码位和通信。 基础物理学规定，如果不改变量子态，就无法复制或测量它。 任何窃听者都会立即被发现。

量子加密可用于替代传统的数字签名并加密区块链网络中的所有点对点通信。 我们小组已经演示了这样一个简单的系统。 然而，量子密码网络的复杂性和成本将限制其采用。 特别是，当前的协议要求网络中的每个节点都通过光纤通道相互连接，因为不信任任何中间节点，因此所有通信都必须是直接的。 即使信息流经不可靠的节点，也需要协议来维持安全通信； 这些系统已经开发出来，但需要让消费者更容易使用。

光纤中的光子损失是另一个挑战。 这些将现代量子密钥分发系统的范围限制在几十公里以内。 解决方案是开发量子中继器，它使用量子隐形传态和量子光存储器在通信方之间分配纠缠态。 研究正在取得进展，但实用的设备还有很长的路要走。

这段时间，单向功能应该加强。 已经提出了替代加密函数，这些函数同样难以使用传统或量子计算机进行逆向。 虽然不完全安全，但它们可以在现有硬件上运行并争取时间，但从长远来看，它们也将是可破译的。

量子互联网。 使用量子技术进行区块链数据的通信和计算处理，将进一步增强安全性，使区块链更快、更高效。 这一步需要一个“量子互联网”，通过量子通信网络连接量子计算机。 然后量子区块链可以全面运行。 这些将绕过当前验证和共识过程中的一些计算密集型步骤，从而更加高效和安全。 所提出的量子比特币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”在未来仍然被证明是必要的，那么这些记录将不可能通过包含量子信息来伪造。

量子互联网还有几十年的时间，因此“盲量子计算”是一个过渡阶段。 在这里，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。 该技术将使公共云量子计算平台成为可能，使区块链更便宜、更易于访问。

下一步

区块链企业需要更新他们现有的软件以使用单向加密功能，这些功能同样难以使用传统或量子计算机进行逆向。 在建立或标准化这些后量子解决方案之前，平台必须具有灵活性，能够即时更改加密算法。

长远的解决方案是发展和扩大量子通信网络，然后是量子互联网。 这将需要大量的政府投资。 然而，各国将受益于所提供的更大的安全保障。 例如，加拿大将其人口普查数据保密了 92 年，只有量子加密才能继续保证这种保密性。 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。 中国、美国和欧盟成员国等引领量子技术重大研究的国家将成为早期采用者。 他们现在应该投资于研究。 例如，区块链应该是欧洲量子密钥分发测试平台项目的案例研究。

需要对这些风险施加更大的紧迫性，它们的影响可能很严重。

波士顿咨询公司此前预测，量子计算将在未来 25 年内分三个阶段走向成熟。 公司可以使用早期技术更快地解决实际业务和研发需求。 波士顿也说。 看到量子计算潜在的巨大市场量子计算机比特币破解，到 2030 年将超过 500 亿美元。但是，只有当该技术能够产生关键应用所需的“逻辑”量子位（量子计算的基础）数量时，才能实现这一潜力。

仅在美国制药行业，如果今天可以提供复杂原子的量子模拟，就有 10% 的公司愿意为这种能力买单，而量子计算将提供 150 亿至 300 亿美元的目标市场机会。 目前，全球高性能计算市场规模为 100 亿美元。