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展示了最新的量子计算机IBM,在量子计算威胁区

2019-11-17 03:07

近日,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,成功构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。“量子计算机在求解某类特定问题上具有巨大的优势。”中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟介绍,量子计算利用量子相干叠加原理,在原理上具有超快的并行计算和模拟能力,计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。

澳门新濠新天地3559,“神仙”打架 凡人围观 量子计算能攻破区块链吗

简介:1月8日,IBM公布了首台“商用”级量子计算机,标志着量子计算离大规模应用越来越近了。那么以算力为基础安全设施的比特币会受到什么影响呢?

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在量子计算威胁区块链的相关论述中,持有此观点的一方给出的论据主要包括两点:一是量子计算会威胁比特币的安全协议;二是算力更大的量子计算机能垄断“挖矿”。

颠覆性、划时代、革命性……量子计算光环太多,又有不近人情的“高冷”。另一边,开年以来,区块链火得一塌糊涂。网上热传的“3点钟不眠区块链社群”,神秘而火爆。

2018年美国物理学会年会上,谷歌发布全球首个72位量子比特计算机Bristlecon。

2019年1月8日,IBM首席执行官Ginni Rometty 在美国内华达州拉斯维加斯举行的年度消费电子展上发表了主题演讲,展示了最新的量子计算机IBM Q System One 的原型。

诞生于2009年的比特币是区块链技术最著名的应用。比特币的安全协议涉及两种类型的密码学,即挖掘过程中使用的散列函数和用于在区块链上提供数字签名的非对称密码术。

最近,它俩不期而遇了。据外媒报道,一台具有4000个以上量子比特的量子计算机就能瓦解区块链。若有人能做出这样的量子计算机,就能解出并验证每笔交易,未来产生的所有加密货币都会被其垄断,加密货币的信任系统也将被瓦解。

2019年1月8日,IBM在拉斯维加斯国际消费电子展上公开了名为IBMQSystemOne的量子计算机。Q系统能够操控20个量子比特,虽然不如谷歌的位数多,但却是第一款可以“商用”的量子计算机。

这一消息的推出,让业界人认为这将对区块链的加密算法构成威胁,但也有人称它有计算能力不足的地方,不会对区块链产生威胁。量子计算机真的会打破密码学的平衡吗?

在“击破论”支持者看来,量子计算机可能会对这两道安全防线产生巨大威胁。未来,量子计算机能很快破解哈希函数,从而垄断整个区块链,让比特币的安全协议“作废”。

这听起来很可怕。俩“神仙”似乎要打架,是真有此事还是杞人忧天?

随着技术的进步,量子计算机投入实际运用的步伐是越来越快了。这引起了币圈内外很多的议论和焦虑,那么量子计算机是否会彻底颠覆区块链的存在基础呢,会对区块链有什么影响呢?今天Alt就跟大家一起看一看。

区块链密码学面对挑战

韩正甫说,经典计算机以电压高低代表数字1或0,即为一比特。

在量子计算威胁区块链的相关论述中,持有此观点的一方给出的论据主要包括两点:一是量子计算会威胁比特币的安全协议;二是算力更大的量子计算机能垄断“挖矿”。

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展示了最新的量子计算机IBM,在量子计算威胁区块链的相关论述中。整个数字货币处于寒冬季,伴随着IBM推出首台商用量子计算机,这将带来区块链的一大技术挑战。

而量子计算机里对应的是量子比特,那可能是自旋箭头向上或向下的一个电子,也可能是“立直振动”或“躺平振动”的光波……

诞生于2009年的比特币是区块链技术最著名的应用。比特币的安全协议涉及两种类型的密码学,即挖掘过程中使用的散列函数和用于在区块链上提供数字签名的非对称密码术。

一、量子计算机是什么

要知道量子计算机是什么,必须现知道量子比特。

量子比特是数字比特的量子模拟形式。数字比特是二进制的,只能在0和1两种状态之间选择。而量子比特可以存在于叠加的状态中,其值可以是0、1或既0又1,或者既不0也不1的状态中。(别问我,问薛定谔的猫怎么又死又活去吧)。用于存储,如果是N个量子比特,理论上可以同时存储2^N 的数据。比如250个量子比特可存储的数据就是2^250 ,这个数字比已知宇宙所有原子加起来还要多。用于运算时,可以同时计算2^N 的数学运算,相当于经典计算机要重复2^N的计算。 从CPU 的运行来看,量子计算速度大大提升,对1000 位的大数进行因数分解只需要几秒,而传统的计算机则需要1025 年。

来自Google和NASA的科学家们认为,量子技术可以提供比当前传统技术快1亿倍的计算能力。

现代密码学可以分三个主要的研究分支:对称密码体系、非对称密码体系、安全协议。

创业社区也变得活跃起来。在看到IBM的量子计算机后不久,笔者就去了多伦多大学的商学院,参加了一场关于量子创业的竞赛。企业家们紧张地站起来,向一群教授和投资者展示他们的想法。一家公司希望利用量子计算机模拟金融市场。另一个计划借助量子计算机设计新的蛋白质。

在“击破论”支持者看来,量子计算机可能会对这两道安全防线产生巨大威胁。未来,量子计算机能很快破解哈希函数,从而垄断整个区块链,让比特币的安全协议“作废”。

二、杀死比特币

比特币有两个重要的安全特性,分别是工作量证明(proof-of-work,PoW)和不对称加密签名,两个特性都建立在难以破解的密码协议的基础上。

工作量证明算法是SHA256,也就是说,这个哈希函数有2^256种输出。加密签名则是椭圆曲线算法,利用椭圆曲线上的离散数字来生成密钥。

对第一个算法来说,只要量子计算机的算力大到全网51%算力的程度,就可以垄断挖矿,让任何别的矿工都无法得到记账奖励。

对于签名来说,在一个交易被广播但是尚未加入到区块链中之前,是最容易被攻击的。如果在此时间内通过广播的公钥破解出私钥,就可以利用私钥从原地址广播一个新的交易给自己的地址,并让这一交易先进入区块链之中,就可以取走原地址中所有的比特币。

根据新加坡国立大学的戴夫士·加沃尔(Divesh Aggarwal)团队的研究认为,考虑到技术呈指数级发展,能够完全破解现有比特币加密算法的情况在10年内就有可能发生。这个时间对于渴望在十年内达到100万美元的比特币来说是比较严峻的了。

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要理解量子计算对区块链的威胁,首先得从比特币系统中的安全协议说起,比特币的协议涉及两种类型的密码学,即挖掘过程中使用的哈希函数和用于在区块链上提供数字签名的非对称密码术。

量子计算机的那层面纱在中国各界的努力之下越来越清晰,但是仍还有不少需要突破的地方——量子计算的精度相当低,虽然用在深度学习等精度需求不高的计算上相当合适,但要处理传统计算机的通用计算工作,可能就心有余而力不足了。

“挖矿”是指利用芯片的计算能力,在比特币全球网络中不断进行哈希运算,比对手更快地求解,找出符合特定要求的随机数,以此赢得在公开账簿上的记账权,从而获得系统奖励的比特币。本质上,“挖矿”是个数学问题。

三、无解了么?

那么,在量子计算到来之前,比特币就只有短短10年的好时光了么,其实并不是。

量子计算伴有噪声,也就是随着量子位数增多,维持相干时间变长,随机波动和错误率也会大增。目前量子计算的一个重大问题就是难以降低错误率。而噪声的降低会伴随着量子比特数指数式的增加。由于后者暂时无法实现,因此量子计算还很难取得大规模应用。

量子计算和区块链,或者说量子计算跟密码学一定会呈现共生演化的趋势,二者互相促进,现在已经陆续有各种抗量子计算的方案被提出,如基于网格的密码,基于编码的密码,和基于多变量算式的密码等等。学术研究正在迅速跟进,弥补技术发展带来的新突破。因此,不能用十年后的量子计算与现有的比特币密码体系相提并论。密码学体系和区块链的技术一定会有相应的手段应对量子计算的威胁。

很多其他加密货币的共识算法都不是以算力挖矿为基础,例如权益记账、代表记账、随机记账等。此外,还有Paxos和Raft传统分布式一致性算法可以运用,这些共识协议在很大程度上可以抵御量子计算攻击。所以,如果量子计算确实产生威胁,比特币完全可以通过切换共识协议来解决。

量子计算机对非对称密码体系影响最大,安全协议方面影响很小。这两种密码学是区块链的安全核心所在,量子计算机可能会对这两道安全防线产生巨大威胁,轻易破解哈希函数,从而垄断整个区块链;通过使用量子计算机,可以很容易地反过来运行用公钥推定私钥的过程,每个人的私钥都会被量子计算机轻易地推断出来。

比特币常说的“51%攻击”就是指在区块链中,如果一个矿工组拥有整个网络51%的算力,他们就会永远比其他拥有49%算力的矿工组更快地处理区块。也就是说,他们将垄断整个区块链,得到之后产生的所有比特币。

四、总结

密码学是现代通信和互联网的基石,一旦量子计算机取得突破,对各个国家的军事通讯保密首先产生最大的影响,所有的加密通信设备都会变得透明;其次是对普遍采用rsa等加密算法的银行金融体系的威胁。总之,天塌下来有高个子顶着,以体量来说,怎么这都还轮不到比特币“杞人忧天”。

量子计算机真相究竟如何?

针对量子计算机威胁“挖矿”的问题,来自新加坡国立大学的戴夫士:阿加沃尔和该校研究人员在2017年10月发表了相关论文。他们认为,至少在未来十年内,ASIC矿机(使用ASIC芯片作为算力核心的矿机)的“挖矿”速度会比量子计算机快,但十年后量子计算机的“挖矿”速度将大幅提升。

量子计算机虽然强大,但要影响密码体系,要能达到数以万计的物理量子比特才行,而目前不过是一千量级,不必过分担心。

针对“4000量子比特的量子计算机能瓦解区块链”的说法,中科院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心研究员吴振华表示这并非空口无凭。

由于分布式节点的对等网络,区块链的加密方法对大多数传统的黑客攻击都是安全的。在理论上,如果黑客能够在同一时间修改超过50%的区块链节点,那么黑客才能做出改变。

“这个是有依据的,是比对了枚举法破解区块链所需要的计算能力和4000个量子比特的计算能力之后做出的判断。当然要求也很高,需要4000个量子纠缠的比特,同时要保证极低的错误率。”吴振华解释说。

但是IBM也称:Q System One可能是为商业用途而设计的,它还没有准备就绪,这样的量子计算机目前仍处于非常实验性的阶段。另外,量子计算机对环境的要求极高,IBM 的量子计算机就好像早期的大型计算机一样,需要非常大的空间来放置。科学家也发现,量子计算对非线性方程组求解、背包问题等难题并不擅长。

而现实情况是,目前的量子计算机最多实现72比特的计算能力,并且越往上增加难度越大。

抗量子攻击

作为国内最早的区块链技术研究者之一,中科院自动化所副研究员袁勇的态度非常明确:“总体上来说,我不太认同量子计算对区块链产生威胁。”

事实上,区块链也在为抗量子攻击做准备。抗量子账本(Quantum Resistant Ledger)就是致力于抵抗量子攻击的一个区块链技术,它使用比质因数分解更为复杂的数据方式生成私有密钥。

“首先,对方并没有以发展的眼光来看待问题。量子计算和区块链,或者说量子计算跟密码学一定会呈现共生演化的趋势,二者互相促进,不能用十年后的量子计算与现有的比特币密码体系相提并论。”袁勇说,“我相信密码学体系和区块链的技术一定会有相应的手段应对量子计算的威胁。”

此外,BlockDAG 协议自称是应对量子计算机威胁的完美解决方案之一。专家称,BlockDAG 协议中的纠缠可以提供“抗量子”能力。

针对量子计算算力惊人的观点,袁勇也予以了反驳。据他介绍,比特币的共识算法是以算力为基础的,因此可能面临量子计算的威胁。但是区块链技术体系中的共识算法自PoW(即Proof of Work,工作量证明机制)之后,呈现出百花齐放的发展态势,目前至少已有30余种共识算法。很多其他加密货币的共识算法都不是以算力挖矿为基础,例如权益记账、代表记账、随机记账等。此外,还有Paxos和Raft传统分布式一致性算法可以运用,这些共识协议在很大程度上可以抵御量子计算攻击。所以,如果量子计算确实产生威胁,区块链可以通过切换共识协议来解决。

有些人称,在当今的技术标准下,BTC 区块链是不可破解的。很大程度上,这是由于其分布式、加密和共识驱动的机制。这种机制要求许多系统之间达成广泛共识,才能确定一次交易。

袁勇解释说:“当然,这些新共识协议,特别是用于公有链的共识协议,还未能证明其有效性,目前最安全的还是比特币的PoW共识。但这些共识算法的未来可期,我们实际上有很多选择。”

许多科技公司在积极研究区块链领域,随着技术的深入,区块链技术并非一成不变,其效率和安全性也越来越强,所以,尽管BTC 已诞生十年,但区块链就像云计算或其他基础技术一样,在很大程度上还处于起步阶段,而量子计算,同样也还是襁褓中的婴儿。

袁勇笑道:“量子计算对比特币有威胁,但它对传统银行体系的威胁更大。天塌下来有个子高的顶着,以体量来说,还轮不到比特币‘杞人忧天’。”

Q System One 给了人们对量子计算机未来发展的信心,但这仅仅是一个开始,所以区块链密码学的平衡未必那么容易打破。往往,被击毙的并非大家眼中的对手,反而是一个不起眼的新生事物。未来,也许区块链也能和量子技术相结合,迸出火花。

短期内或难实现“量子霸权”

量子计算近来捷报频传。3月6日,谷歌宣布推出一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone,其错误率低至1%,与9个量子比特的量子计算机持平。此前,IBM刚刚曝光其50个量子比特量子原型机的内部构造。

本土力量也不甘示弱。近日,中科院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟正式发布中科院联合阿里云打造的11量子比特超导量子计算的云平台,这是继IBM后全球第二家向公众提供10量子比特以上超导量子计算云服务的系统。郭光灿院士团队也介绍其本源量子计算云平台已成功上线32比特量子虚拟机,并已实现了64量子比特的量子电路模拟,打破IBM Q的56位仿真纪录。

这一系列动作,让今年的“量子霸权”争夺战来得比预期更早。“量子霸权”又被称作量子优越性,即50量子比特的量子计算机优于现在的任何一台经典计算机,达到“量子霸权”才算真正意义上的量子计算机。

量子计算可以颠覆现有计算行业,它能轻易通过枚举算法解决大量现有复杂算法才能解决的问题,对量子效应实现直接模拟仿真。但吴振华表示:“虽然量子计算的功力没有被夸大,但它的实现难度很大。由于种种原因,现在很多观点或报道过于乐观。”

谷歌推出的量子计算器Bristlecone能够支持多达72个量子位,号称“为构建大型量子计算机提供了极具说服力的原理证明”。而如果能将量子处理器的错误率控制在足够低的水平,在解决明确的计算科学问题时就能超越传统硅计算机,实现所谓的“量子霸权”。

但实现“量子霸权”要克服很多困难,何时成真还没有定论。

量子计算伴有噪声,即随机波动和错误。对此,技术乐观派们认为“降噪”是个技术性、工程性难题,迟早可以解决。

另一拨人却不这么想。耶路撒冷希伯来大学数学家吉尔:卡拉伊是反量子计算的代表人物,他一直关注量子计算复杂度与噪声问题。在他看来,噪声的降低必然伴随着量子比特数指数式的增加。由于后者无法实现,因此“量子霸权”也难以实现。

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