量子計算能攻破區塊鏈嗎？短期內或難實現量子霸權

量子計算能攻破區塊鏈嗎

顛覆性、劃時代、革命性……量子計算光環太多，又有不近人情的「高冷」。另一邊，開年以來，區塊鏈火得一塌糊塗。網上熱傳的「3點鐘不眠區塊鏈社群」，神秘而火爆。

最近，它倆不期而遇了。據外媒報道，一台具有4000個以上量子比特的量子計算機就能瓦解區塊鏈。若有人能做出這樣的量子計算機，就能解出並驗證每筆交易，未來產生的所有加密貨幣都會被其壟斷，加密貨幣的信任系統也將被瓦解。

這聽起來很可怕。倆「神仙」似乎要打架，是真有此事還是杞人憂天？

「攻鏈」威脅從何而來

在量子計算威脅區塊鏈的相關論述中，持有此觀點的一方給出的論據主要包括兩點：一是量子計算會威脅比特幣的安全協議；二是算力更大的量子計算機能壟斷「挖礦」。

誕生於2009年的比特幣是區塊鏈技術最著名的應用。比特幣的安全協議涉及兩種類型的密碼學，即挖掘過程中使用的散列函數和用於在區塊鏈上提供數字簽名的非對稱密碼術。

在「擊破論」支持者看來，量子計算機可能會對這兩道安全防線產生巨大威脅。未來，量子計算機能很快破解哈希函數，從而壟斷整個區塊鏈，讓比特幣的安全協議「作廢」。

「挖礦」是指利用晶元的計算能力，在比特幣全球網路中不斷進行哈希運算，比對手更快地求解，找出符合特定要求的隨機數，以此贏得在公開賬簿上的記賬權，從而獲得系統獎勵的比特幣。本質上，「挖礦」是個數學問題。

比特幣常說的「51%攻擊」就是指在區塊鏈中，如果一個礦工組擁有整個網路51%的算力，他們就會永遠比其他擁有49%算力的礦工組更快地處理區塊。也就是說，他們將壟斷整個區塊鏈，得到之後產生的所有比特幣。

針對量子計算機威脅「挖礦」的問題，來自新加坡國立大學的戴夫士·阿加沃爾和該校研究人員在2017年10月發表了相關論文。他們認為，至少在未來十年內，ASIC礦機(使用ASIC晶元作為算力核心的礦機)的「挖礦」速度會比量子計算機快，但十年後量子計算機的「挖礦」速度將大幅提升。

「攻破」一說為時尚早

針對「4000量子比特的量子計算機能瓦解區塊鏈」的說法，中科院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心研究員吳振華表示這並非空口無憑。

「這個是有依據的，是比對了枚舉法破解區塊鏈所需要的計算能力和4000個量子比特的計算能力之後做出的判斷。當然要求也很高，需要4000個量子糾纏的比特，同時要保證極低的錯誤率。」吳振華解釋說。

而現實情況是，目前的量子計算機最多實現72比特的計算能力，並且越往上增加難度越大。

作為國內最早的區塊鏈技術研究者之一，中科院自動化所副研究員袁勇的態度非常明確：「總體上來說，我不太認同量子計算對區塊鏈產生威脅(的說法)。」

「首先，對方並沒有以發展的眼光來看待問題。量子計算和區塊鏈，或者說量子計算跟密碼學一定會呈現共生演化的趨勢，二者互相促進，不能用十年後的量子計算與現有的比特幣密碼體系相提並論。」袁勇說，「我相信密碼學體系和區塊鏈的技術一定會有相應的手段應對量子計算的威脅。」

針對量子計算算力驚人的觀點，袁勇也予以了反駁。據他介紹，比特幣的共識演算法是以算力為基礎的，因此可能面臨量子計算的威脅。但是區塊鏈技術體系中的共識演算法自PoW(即Proof of Work，工作量證明機制)之後，呈現出百花齊放的發展態勢，目前至少已有30餘種共識演算法。很多其他加密貨幣的共識演算法都不是以算力挖礦為基礎，例如權益記賬、代表記賬、隨機記賬等。此外，還有Paxos和Raft傳統分散式一致性演算法可以運用，這些共識協議在很大程度上可以抵禦量子計算攻擊。所以，如果量子計算確實產生威脅，區塊鏈可以通過切換共識協議來解決。

袁勇解釋說：「當然，這些新共識協議，特別是用於公有鏈的共識協議，還未能證明其有效性，目前最安全的還是比特幣的PoW共識。但這些共識演算法的未來可期，我們實際上有很多選擇。」

袁勇笑道：「量子計算對比特幣有威脅，但它對傳統銀行體系的威脅更大。天塌下來有個子高的頂著，以體量來說，還輪不到比特幣『杞人憂天』。」

短期內或難實現「量子霸權」

量子計算近來捷報頻傳。3月6日，谷歌宣布推出一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone(「狐尾松」)，其錯誤率低至1%，與9個量子比特的量子計算機持平。此前，IBM剛剛曝光其50個量子比特量子原型機的內部構造。

本土力量也不甘示弱。近日，中科院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉正式發布中科院聯合阿里雲打造的11量子比特超導量子計算的雲平台，這是繼IBM後全球第二家向公眾提供10量子比特以上超導量子計算雲服務的系統。郭光燦院士團隊也介紹其本源量子計算雲平台已成功上線32比特量子虛擬機，並已實現了64量子比特的量子電路模擬，打破IBM Q的56位模擬紀錄。

這一系列動作，讓今年的「量子霸權」爭奪戰來得比預期更早。「量子霸權」又被稱作量子優越性，即50量子比特的量子計算機優於現在的任何一台經典計算機，達到「量子霸權」才算真正意義上的量子計算機。

量子計算可以顛覆現有計算行業，它能輕易通過枚舉演算法解決大量現有複雜演算法才能解決的問題，對量子效應實現直接模擬模擬。但吳振華表示：「雖然量子計算的功力沒有被誇大，但它的實現難度很大。由於種種原因，現在很多觀點或報道(對量子計算的預期)過於樂觀。」

谷歌推出的量子計算器Bristlecone能夠支持多達72個量子位，號稱「為構建大型量子計算機提供了極具說服力的原理證明」。而如果能將量子處理器的錯誤率控制在足夠低的水平，在解決明確的計算科學問題時就能超越傳統硅計算機，實現所謂的「量子霸權」。

但實現「量子霸權」要克服很多困難，何時成真還沒有定論。

量子計算伴有雜訊，即隨機波動和錯誤。對此，技術樂觀派們認為「降噪」是個技術性、工程性難題，遲早可以解決。

另一撥人卻不這麼想。耶路撒冷希伯來大學數學家吉爾·卡拉伊是反量子計算的代表人物，他一直關注量子計算複雜度與雜訊問題。在他看來，雜訊的降低必然伴隨著量子比特數指數式的增加。由於後者無法實現，因此「量子霸權」也難以實現。

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