从Google量子霸权看区块链与量子计算机之间的长期抗战

上周Google在量子计算领域取得突破，而社群纷纷担忧量子计算机会打击区块链的加密机制，但是科学家开始在研究具有量子抗性的区块链。

量子计算近期在技术领域引发许多关注，由于计算速度的大型进展，使得不管再复杂的方程序、物理问题，只要通过量子计算机其解决速度都比目前最厉害的超级计算机还来得快上非常多。

注：其背后原理是运用量子叠加原理，使得量子计算机可以不同于传统计算机，利用量子位元来储存数据，再通过量子算法进行数据运算，使得速度可以达到传统计算机的数亿倍。

而据《新科学家》杂志中的一篇论文，有提到一个名为枫树（Sycamore）的量子处理器，其中包含 54 个量子位，并声称其已经实现了量子霸权。

该篇论文的作者，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的 John Martinis，也被认为已经与 Google 合作，要共同为量子计算机构建硬件。

有报导指出 Google 在量子计算领域取得突破性的发展，Google 所使用的量子计算机，仅用了三分钟就证明「随机产生的数字是真正随机」，一个世界上最强大的超级计算机，需要耗费一万年才能解开的难题。

区块链的恐慌与危机到来

Google 的进展，使得区块链的恐慌也接踵而来，如果区块链背后的加密能够被「量子计算机」给破解，那麽区块链上的公私钥机制，将不能再保护用户存放于区块链上的资产，也可能使分布式帐本上的加密讯息，变得一览无遗。

这将导致目前区块链所规划出的技术发展蓝图，以及它为企业、新创所带来的潜力与希望，都像脆弱的瓦片一样被量子计算机给逐个破解。

但是现在就选择放弃区块链、还有其他相关的新兴技术都言之过早，因为，区块链除了加密这项技术外，背后还有更多复杂的设计；此外，有一些项目正在为了量子计算时代，开发「具有量子抗性」的区块链。

– 量子计算机，图片来源：MIT Technology Review–

电子现金之父的抗量子链

美国的计算机与密码学科学家 David Chaum，被大众认为是数字现金的发行者，在 1982 年所发表的论文〈Computer Systems Established, Maintained, and Trusted by Mutually Suspicious Groups〉中，首次提到第一个关于区块链协议的建议。

而在今年 8 月，David Chaum 与其团队在柏林所举办 Web3 峰会中，宣布推出自己的抗量子链并发行加密货币 Praxxis，一个通过采用与现存加密机制完全不同之加密技术，以达成区块链中被广泛讨论的不可能三角难题、以及解决现存加密技术中皆存在的安全弱点。

Shor 算法：公私钥机制的破坏者

目前既存的算法中，Shor 算法已经向世人实现了该如何从公钥中找到对应的私钥；更糟糕的是，Shor 算法还能专门破解「椭圆曲线数字签名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA）」，一种比特币与以太坊都用来生成数码签名的算法。

而 Shor 算法的威胁，正是在于它超越传统技术的计算能力。

当俄罗斯量子中心的几位研究人员，在一篇文章中明确指出区块链的主要缺点：在于高度依赖单向数学函数，例如在交易验证、创建数码签名等等；同时他们亦指出如何通过量子计算机，以当前技术无法达成的计算能力，反计算现存的单向函数，便能操纵现有区块链帐本中的交易历史纪录，文章内容节录如下：然而在十年之内，量子计算机将能够计算单向函数。而在保护因特网、金融交易的区块链中被广泛部署的单向加密将立即过时。

Praxxis 的抗量子特性

根据 David Chaum 的说法，Praxxis 项目主旨是抵御 Shor 算法的攻击：通过在共识机制、区块链结构内采用抗量子签名，要与量子计算机这种区块链破坏者一较高下。

Why quantum-resistance? Because we have designed Praxxis for longevity. And as such, have built it with the most secure cryptography available. It is one of the 1st blockchains to offer quantum-resistant signatures in both its consensus mechanism and coin structure

— David Chaum (@chaumdotcom) August 20, 2019

在推特贴文中， David Chaum 另外提到在创立 Praxxis 的同时，另一个关于隐私平台的项目 Elixxir，两者虽然各自独立却都有采用混合网络（Mix Networks）、盲目签名（Blind Signatures）、保险库系统（Vault Systems）、安全投票协议（Secure Voting Protocols）、电子现金（e-Cash）等四种技术，而这些技术亦是该团队累计长达 40 多年的研究工作成果。

不过可惜的是，目前Praxxis 的白皮书还尚未公开，David Chaum 表示预计会在今年年底附近公开。

Sycamore 当前的限制

同样在Praxxis 的官方博客中，有介绍到量子至高无上的特性，是指量子计算机可以解决现存二进制计算机永远无法实现的问题。

到目前为止，现存的量子计算机只设计少量的量子位元，即使是 Google 目前所公布的量子计算机Sycamore，也仅设计了 54 个位元。而 Google 在与 Intel、IBM 等科技巨头竞争之际，同时也投身于测试名为Bristlecone，拥有 72 个量子位元的量子计算机。

由于具有特定 X 个量子位元的量子计算机，理论上可以同时处于多达共「2 的 X 次方个叠加态 ，因此毋庸置疑，量子计算机绝对有潜力以二进制计算机所望尘莫及的速度运行算法。

但是根据美国加密货币研究与工程中心的研究论文表示，一台量子计算机至少要包含1500 个量子位元，才能够进行 Shor 算法。对比目前 Google 所发现的 Sycamore，含 1500 个量子位元的计算机可能仍需数年才能诞生，但其诞生绝非不可能。

未来的量子计算革命

这意味着什么，在 Shor 算法诞生的同时，如果没有任何一个足够强大的新「抗量子区块链」存在，则区块链的淘汰可能会比所有人想像的未来，还要早得多；但是无数的科学家、研究学者都仍投身在双阵营里，创造着技术革命。

而 Google 将自己最近的成就描述为迈向全面量子计算的里程碑，并且希望这个里程碑可以帮他们在未来，迅速迈向全量子计算的计划奠定基础。

Google   量子   区块链   量子计算机

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