一篇详解：量子计算与区块链的未来

1.写在前面

谈到计算的未来，区块链和量子计算是两个最受关注和争议的行业。 虽然区块链在加密货币和密码学方面的实际应用遥遥领先，但量子计算行业也在以惊人的速度增长。 事实上，量子计算行业的增长速度仅次于区块链，预计2022年至2027年该行业将以每年25%的速度增长。

有专家认为，量子计算的进步可能会进一步推动区块链的终结，因为量子计算机可以破解最先进的区块链加密技术，未来将取代区块链成为更先进的数据保护方式。 .

区块链加密和量子计算通常作为密码学比较联系在一起。 一方面是量子计算机能否发展到足以破解区块链的速度，另一方面是密码学家能否快速想出安全的解决方案来保护自己免受量子黑客攻击。

然而，量子计算与区块链之间的关系并不一定是对立的。 一些研究人员认为，量子计算和区块链技术最终将融合成新技术，创造出更快、更安全并有助于解决各种问题的革命性计算解决方案。

2. 什么是量子计算？ 它与区块链有何不同？

对于外行来说，量子计算是一种独特的计算类型，它使用“量子态”来解决逻辑问题，这些逻辑问题通常需要惊人的计算机处理能力，而普通超级计算机根本无法解决。 量子计算机不像传统的超级计算机那样一个一个地分析问题，而是可以同时分析大量潜在的问题。 这些计算机使用量子物理学原理来极快地减少错误答案的数量，同时以极快的速度给出正确答案。

当前的计算机通常被称为经典计算机，由 1 或 0 的传统位组成，永远不会同时出现。 另一方面，量子计算机是由量子比特组成的，量子叠加允许比特的两种状态同时存在。 此外，与传统比特不同，量子比特可以在称为量子纠缠的过程中相互作用，为整个计算系统创造一个大量子态。 每个额外的量子比特都会使计算机的潜在状态数量翻倍，与经典计算机相比，这些计算机具有巨大的计算能力。

量子计算用例

除了解决高度复杂的问题外，量子计算还有可能改变加密世界。 量子物理学和量子态的性质决定了特定信息的实际状态在受到干扰时会发生变化。 因此，理论上，量子加密是牢不可破的，因为任何信息的状态，如果被窃听者（或机器）查看，都会发生不可逆转的改变。 然而，正如量子计算可以创建强加密一样，它也有可能打破以前牢不可破的加密形式，这与区块链的存在存在潜在冲突。

像 IBM 这样的公司目前正在使用量子计算机来解决各种各样的问题，例如为电动汽车开发更高能量密度的电池、减少碳排放的清洁材料，甚至寻找可以揭示宇宙起源的粒子。

与量子计算相比，区块链是一种分布式账本技术。 一旦经过一系列分布式计算机（称为节点）的验证，这种由密码学创建的信息分类账就无法有效更改。 区块链使用各种共识机制——分布式节点网络，在将信息块添加到区块链时“验证”信息块。 区块链完全属于经典计算领域，这意味着区块链在某个时间点只会处于单一状态。

正如业界所说，区块链技术是通过自动执行智能合约创建分布式应用程序的绝佳工具，包括数字货币、物流和记录保存协议以及各种金融产品。

但是，由于网络的限制，区块链可能无法解决高层次的计算问题。 当前区块链最大的问题是交易速度慢，新的区块链竞相提供高效交易的解决方案。 相比之下，量子计算在解决一些大型和棘手的科学问题方面具有巨大的潜力，但它不一定是创建消费者应用程序的好工具。

因此，可以肯定地说，量子计算和区块链是两种不同高度的技术，它们的相互作用可能会深刻改变这两个行业。

3. 量子计算会毁掉区块链，终结加密货币吗？

德勤的一项研究表明，一次攻击可能会窃取 25% 的比特币。 截至2022年1月，被盗金额已达3000亿美元。 达到数亿美元，借助量子计算的力量，未来黑客可能会破坏整个区块链，同时造成全球经济混乱。

具体来说，目前主流的量子计算机还没有开发出秀尔函数的功能。 当Shor函数被量子计算机实现时，理论上可以通过椭圆曲线乘法求解目前隐藏的质因数，椭圆曲线乘法是一种用于散列的乘法。 形式，目前几乎不可能逆转（即发现相乘形成私钥的原始数字）。

例如，研究人员计算出，使用经典计算机计算和椭圆曲线乘法确定公钥对应的私钥需要340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456次初等运算，相当于数千年。

同样情况下量子计算机比特币，使用秀尔函数的量子计算机只需要2,097,152次基本运算，相当于只需要几个小时。

除了量子计算取代区块链加密之外，另一个担忧是量子计算机可能会取代传统计算机进行加密货币挖掘。 从理论上讲，如果这些计算机以其超快的计算能力能够比传统挖矿设备（如 ASIC）更快地挖矿，这将导致资产价格不稳定、51% 攻击和挖矿权力的极端中心化。 （需要说明的是，这种情况主要针对比特币等基于PoW的区块链，一般不会影响基于权益证明（PoS）的共识模型）。 由于环境问题和其他因素，一些区块链（如以太坊）正在转向权益证明和其他不涉及计算密集型挖掘的共识模型。

尽管存在这些基于数据的担忧，但并非所有专家都相信量子计算有一天能够有效破解区块链并取代传统密码学。 例如，一些人认为比特币中使用的 SHA-256 加密具有潜在的抗量子性，即使量子计算机能够破解当前的区块链加密方法，也可能需要 10 到 20 年的时间，这使得新的加密方法变得困难有待开发。 区块链密码学家正在引领新的、更强大的加密方法。

此外，RSA 加密是椭圆曲线密码学最常见的替代方案，它也可能具有一定的抗量子性。 虽然在传统解密方面，椭圆曲线加密被认为比 RSA 加密更安全，但专家认为，在量子解密方面，情况恰恰相反。 此外，即使 RSA 最终成为“量子可破解的”，软分叉和不断变化的钱包地址也会消除量子计算机破坏区块链或窃取加密货币的大部分机会。

4. 量子计算能否与未来的区块链结合或增强？

虽然一些人认为量子计算可能会颠覆区块链和加密货币，但另一些人认为量子密码学可以与区块链相结合，创造出比当今协议更安全的区块链，理论上可以抵御传统黑客攻击和量子计算机攻击，具有强大的防御能力。

研究人员认为，传统的区块链密码学方法，如非对称密钥算法和利用上述椭圆曲线乘法的散列函数，可以被量子密钥所取代。

量子密钥密码术，也称为量子密钥分发 (QKD)，其工作原理是通过光链路以光子的形式发送光的“量子粒子”。 正如我们之前提到的，任何篡改操作都会取消对交易的验证（例如窃听者查看正在传输的光子）。 为了实际使用，这些量子密钥需要与一次性密码 (OTP) 加密一起使用，以生成只能使用一次的密钥。

李春堂、徐银松、唐家豪、刘文杰发表在《量子计算学报》上的一篇题为“量子区块链：基于量子力学的去中心化、加密、分布式数据库”的论文详细介绍了量子计算在利用区块链的优势，特别是节点选择的随机化，量子区块链协议可以替代目前的随机化方式，利用量子随机数发生器来选择验证者节点，将有效解决目前区块链的随机化问题。

该论文认为，量子区块链也有可能用一种新型的量子加密拜占庭协议取代经典的拜占庭协议。 虽然只是理论上，但如果实现，它将创建基于量子密码学的新的、高度安全的加密货币，同时有助于抵御 51% 攻击。

虽然以上大部分内容都涉及创建新的量子区块链，但量子技术也有可能应用于现有区块链以增加去中心化并缩短比特币、以太坊和 Solana 等主要区块链。 链交易时间。

实际应用中需要解决的问题是如何让节点运营商获得量子计算和量子密钥生成功能。 目前，大多数量子计算机由于价格高昂而局限于实验阶段，这意味着难以与大量的节点运营商一起运行。 但我们相信情况会进一步改善量子计算机比特币，一家总部位于深圳的科技公司推出了一台成本仅为 5,000 美元的小型量子计算机，远低于目前运行完整以太坊节点所需的成本。

5. 什么是反量子账本？

目前，有两个声称完全抗量子的公共区块链项目，抗量子账本和比特币后量子。 抗量子分类帐 (QRL) 自称为“具有状态签名方案的最安全的后量子安全区块链”。

QRL 协议使用“IETF 指定的 XMSS，一种基于哈希的前向安全签名方案，具有最小的安全假设。” XMSS 是一种利用 Merkle 树（哈希树）的扩展 Merkle 签名方案。 基于状态的哈希签名方案（例如 Merkle 签名）被认为比 RSA 或椭圆曲线密码学更能抵抗量子黑客攻击。 然而，如果密钥被多次使用，基于哈希状态的签名方案（如 XMSS）预计会受到攻击，这与其他密码学相比是一个劣势。

目前，美国国家标准技术研究院（NIST）计算机安全资源中心正在积极研究除XMSS、NIST等之外的70项“后量子密码学”加密技术，他们希望对这些技术进行评估在民用方面。 以及政府的优势和劣势。

Quantum Resistant Ledger 声称其“扩展”的 Merkle 签名方案比传统的 Merkle 签名方案更高效、更安全，但如果没有真正高效的量子计算机对其进行测试，则很难证明这一点。

6. 什么是后量子比特币？

除了QRL项目，另一个区块链项目Bitcoin Post-Quantum也声称可以使用基于哈希状态的扩展Merkle签名方案（XMSS）来保护自己免受量子计算攻击。 BPQ 是比特币区块链的一个实验性分支，它使用量子安全数字签名而不是传统加密。 BPQ 进行的研究可能会成为未来几年将抗量子密码学引入比特币主网的基础。

与QRL不同，BPQ目前处于研究阶段，其计划中的货币BitcoinPQ尚未被开采。

7. 量子计算和区块链的未来是什么？

量子计算和区块链的未来仍是未知数，而这个最终答案可能是计算机科学领域未来的决定性因素之一。 区块链帮助互联网民主化，创造了加密货币，并以比特币和以太坊等流行区块链的形式创造了世界上最大的分布式计算机网络。

相比之下，仍处于早期阶段的量子计算有潜力帮助我们解决更具影响力的科技问题，并以我们无法预见的方式推动技术进步。 如果量子计算和区块链发生碰撞，那将是一场史诗般的灾难。 相反，如果密码学继续发展并能够创造出越来越多的抗量子加密方法，或者如果量子加密本身被集成到区块链中，那么这些技术的结合将有助于创造一个更加安全和民主化的世界。 物联网对世界产生积极影响。