《自然》杂志：十年内量子计算机将破解区块链的加密代码

到2025年，高达10%的全球国内生产总值可能存储在区块链上。区块链是一种数字工具，它使用加密技术来保护信息免受未经授权的更改。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、制造业和医疗保健领域，市场价值超过1500亿美元。

当信息就是金钱时，数据安全性、透明度和问责制至关重要。区块链是一种安全的数字记录或分类帐。它由全球用户共同维护，而不是由一个中央管理部门维护。诸如是否向分类账添加条目(或块)的决定是基于共识，因此个人信任不在其中。网络内部或外部的任何一方都可以通过简单的计算来检查分类帐的完整性。

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，我们重点介绍量子技术如何使区块链易受攻击，以及如何使它们更安全。

单向代码

区块链安全性依赖于“单向”数学函数。这些在传统计算机上运行很简单，并且难以反向计算。例如，将两个大素数相乘很容易，但找到给定产品的主要因素很难，使用传统计算机可能需要多年才能解决。

这些函数用于生成数字签名，区块链用户引用这些签名来向他人验证自己。这些很容易检查，非常难以伪造。单向函数还用于验证区块链分类帐中的事务历史。哈希(hash)是一个短的比特序列，是从现有分类账和要添加的分块的组合中得出的。只要条目的内容发生变化，这就会改变。同样，找到块的哈希(处理添加记录的信息)相对容易，但很难选择会产生特定哈希值的块。这将需要反转过程以导出生成哈希的信息。

比特币还要求哈希符合数学条件。任何希望向分类帐添加块的人都必须让他们的计算机运行随机搜索，直到达到该条件。此过程减慢了块的添加速度，为网络中的每个人记录和检查所有内容留出了时间。它还阻止任何个人垄断网络管理，因为任何具有足够计算能力的人都可以贡献块。

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的单向函数，包括区块链。广泛部署的单向加密将立即过时。

信息安全以前面临如此大规模的灭绝。例如，在第二次世界大战期间，德国的军事信息使用Enigma机器进行编码和解密，最初给予轴心国带来优势，直到盟军破解了Enigma代码。 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)在公开竞赛中被打破，以证明其缺乏安全性。这导致了第二次开发新协议的竞争，从而产生了今天的高级加密标准。

量子优势

量子计算机利用物理效应(例如状态和纠缠的叠加)来执行计算任务。它们目前的功能远不如传统计算机，但很快就能在某些任务上超越它们。正如数学家Peter Shor在1994年所指出的那样，其中一个例子就是打破基于加密算法的安全协议。区块链尤其面临风险，因为单向函数是其唯一的防线，用户唯一的保护就是数字化签名，而银行客户受塑料卡、安全问题、身份检查和人工收银员的保护。

因此，数字签名的破解是最紧迫的威胁。配备量子计算机的不法行为者可以使用Shor算法伪造任何数字签名，冒充用户并使用他们的数字资产。大多数专家认为，这一壮举需要一台通用的量子计算机(一种能够进行各种计算的计算机)，而这需要十多年的时间。然而，一些研究人员认为，这可能会更早发生，使用具有更多有限能力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那些设备。

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(称为挖矿)。这些人可能破坏交易，防止自己的交易被记录或双重花费。一个国际研究团队强调了这种攻击的可能影响，今年早些时候的一份报告绘制了威胁并提出了可能的解决方法。

如果没有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。

其实，加密货币已经在崩溃了。昨日比特币暴跌16%至4100美元以下，创下今年新低。这一数字货币跌至2017年9月以来的最低点，本周跌幅约为30%。比特币价格的历史最高点是去年12月18日创下的19511美元。

提高安全性

幸运的是，量子技术也提供了增强区块链安全性和性能的机会。

量子安全加密。量子通信本身就是经过身份验证的，没有用户可以冒充他人。这些技术使用单个光粒子(光子)的状态来编码比特并进行通信。基础物理学规定，量子态在不改变的情况下无法复制或测量。任何窃听者都会立即被发现。

量子加密可用于替换传统的数字签名并加密区块链网络中的所有对等通信。我们小组已经展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它们的采用。特别是，当前协议要求网络中的每个节点通过光纤信道彼此连接，因为在任何中间节点中不存在信任，因此所有通信必须是直接的。即使信息流经不可靠的节点，也需要协议来维护安全通信;这些系统已经开发出来，但需要让消费者更容易获得。

光纤中的光子损耗是另一个挑战。这些将现代量子密钥分配系统的范围限制在几十公里。解决方案是开发量子中继器，其使用量子隐形传态和量子光学存储器来在通信方之间分配纠缠状态。研究正在取得进展，但距离提供实用设备还有很长的路要走。

在此期间，单向函数应加强。已经提出了一些替代加密函数，使用传统或量子计算机同样难以逆转。虽然不是完全安全，但它们可以在现有的硬件上运行，并可以争取时间，不过从长远来看，它们也会被破译。

量子互联网。使用量子技术进行通信以及区块链数据的计算处理将进一步增强安全性，并使区块链变得更快、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。然后可以完全运行量子区块链。这些将绕过当前验证和共识过程中一些计算密集步骤，因此更有效和更安全。拟议的量子比特币货币可以通过量子力学的无克隆定理得到保证。如果这些量子“银行票据”在未来仍被证明是必要的，那么通过包含量子信息记录就不可能伪造。

距离量子互联网还有数十年之遥，因此“盲量子计算”是一个过渡阶段。在此，具有传统计算机的用户可以在远程量子计算机上运行算法，而不共享输入数据或算法。该技术将实现公共云量子计算平台，使区块链更便宜、更易于访问。

下一步

区块链业务需要更新其现有软件，以使用单向加密函数，这些函数同样难以使用传统或量子计算机进行逆转。在这些后量子解决方案建立或标准化之前，平台必须是灵活的，能够在飞速写入中更改加密算法。

长期的解决方案是开发和扩大量子通信网络，随后是量子互联网。 这将需要政府的大力投资。 但是，各国将从提供的更大安全保障中受益。 例如，加拿大将其人口普查数据保密了92年，这个秘密只有量子加密可以继续保证。 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。 领导量子技术重大研究的国家，如中国、美国和欧盟成员国，将成为早期采用者之一。 他们应该立即投资研究。 例如，区块链应该是欧洲量子密钥分布测试平台项目的一个案例研究。

需要对这些风险施加更大的紧迫性，它们的影响可能是严重的。

咨询公司波士顿此前预计量子计算将在未来25年历经三个阶段而发展成熟。公司可以使用早期的技术来更快地解决实际业务和研发需求。波士顿还表示。看到一个潜在巨大的量子计算市场，到2030年将超过500亿美元。然而，只有当技术能够产生关键应用所需要的“逻辑”量子比特(量子计算的基础)的数量时，才能实现这种潜力。

仅在美国的制药行业，如果今天能提供处理复杂原子的量子模拟，将会有10%的公司愿意为此功能付费，量子计算将提供150亿到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。