比特幣和量子力學

量子力學誕生於100多年前，它用在光、聲、電等等尖端領域，影響著我們生活的方方面面。而比特幣是近十年才出現的東西，本質上是一種數字貨幣。這兩者能有什麼關係呢？

事實上，量子力學是比特幣最重要的理論基礎之一。如果沒有量子力學，比特幣的理論體系將存在重大缺陷甚至有可能崩塌，而比特幣的價值也將大打折扣。這是為什麼呢？

我們知道，從技術上講，比特幣最終解決的是拜占庭將軍問題。首先看下什麼是拜占庭將軍問題。

假設拜占庭帝國的幾支軍隊在敵人的城外紮營，每支軍隊聽命於自己的將軍，這些將軍之間只能通過信使傳遞消息。在對敵軍進行偵察後，將軍們必須制訂一份共同行動計劃。但是，有些將軍可能是叛徒，這些叛徒會阻礙那些忠誠的將軍達成共識。於是，這個問題可以簡潔地描述為：在已知有間諜的分散式軍隊中，將軍們如何達成共識，執行共同的作戰計劃，來取得戰爭的勝利。

這個問題困擾了人類幾千年，是通訊領域的經典問題。在此之前給，解決分散式系統一致性問題最主要靠Lamport提出的Paxos演算法及其衍生演算法。但Paxos類演算法僅適用於中心化的分散式系統，而且要求這樣的系統的沒有不誠實的節點。因此，Lamport仍然沒有最終解決拜占庭將軍問題。

直到比特幣的出現，才最終解決了這個問題。那麼比特幣是如何做到的呢？

比特幣創造性地採用了區塊鏈的思想。首先是加入了發送信息的成本，也就是工作量證明（Proof Of Work），以保證一段時間內只有一個節點可以傳播信息。然後是採用了非對稱加密技術，各個節點收到發起者的消息必須簽名蓋章，確認各自的身份。還有各節點的賬本同步，每個將軍都有一份實時與其他將軍同步的消息賬本，只要超過半數同意，就可以達成共識。

通過消息加密技術、以及公平的工作量證明機制，比特幣創建了一組所有將軍都認可的協議，拜占庭將軍問題完美解決。比特幣網路也從一個去中心化的不可信網路變為可信網路，所有參與者可以在某些事情上達成一致，使價值傳遞成為了可能。

這裡並不對比特幣究竟如何解決互信進行深入探討，有興趣的可以參考本號上一篇文章人的互信值多少錢。通過上面比特幣解決拜占庭將軍問題的機制，不知道大家注意到一個問題沒有，就是在這個過程中，有一個基本要求：消息傳遞的信道絕無問，也就是拜占庭將軍問題中並不去考慮通信兵是否會被截獲或無法傳達信息等問題。然而我們知道，在現實中通信兵完全是有可能被截獲的。反映在網路通信中就是信道被竊聽或干擾。Lamport已經證明了在不可靠信道上試圖通過消息傳遞的方式達到一致性是不可能的。也就是說，如果比特幣不能解決信道的可靠性問題，那麼比特幣的理論根基將存在問題，比特幣的大廈將轟然倒塌，比特幣的價值可以說幾乎為零。

先說傳統通信下為什麼不可靠？如果信道存在問題，A將軍向B將軍派出了通信兵，若A要知道B是否收到了自己的信息，必須要求B給自己傳輸一個回執，表明「信息收到，同意進攻」。然而，就算B已經送出了這條信息，B也不能確定A是否收到了回執。所以A必須再給B的回執發出一個回執。雖然看似可笑，但這個系統中永遠需要存在一個回執。更要命的是，我們還沒有考慮，通信兵的信息還有可能被篡改。

事實上，我們現實的通信中採用了TCP協議的「三次握手」來相對可靠地解決這個問題，也就是在成本可控的情況下的一種妥協方案。

然而這對比特幣是不行的，因為比特幣是從根本上解決互信問題，要求的是理論的完備性，那麼對於信道的安全問題如何解決呢？

這就需要量子力學了。在量子力學中存在著一個重要的現象，就是量子糾纏，也就是從同一個粒子裂變出的不同粒子，不管相距多遠，對其中一個的干擾瞬間就會影響到其他粒子，這是一種神秘的超距感應現象。而比特幣就是利用了量子糾纏，保證了信道的絕對安全。

在量子通訊過程中，首先構建一對具有糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行測量，則接收方的粒子瞬間坍塌為某種狀態，這個狀態與發送方的粒子坍塌的狀態是對稱的，然後信息通過經典信道傳送給接收方，即可得到與發送方完全相同的未知量子態。

相比經典通信，量子通信可以說是絕對保密的，其一體現在量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態的2個粒子，其中一個粒子的量子態發生變化，另外一方的量子態就會隨之立刻變化，並且根據量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會立刻改變數子態，引起其坍塌，因此竊取者由於干擾而得到的信息已經破壞，並非原有信息。

就這樣，量子糾纏為比特幣的信道安全提供了理論基石。

這裡需要說明一下，在量子糾纏中，一旦測量粒子狀態就會改變其狀態，但通訊時還必須通過不可靠信道發送通知信息。儘管這個通知消息是不可靠的，但是由於已經存在了一條絕對可靠的信道（量子糾纏），保證了另一條信道即使不可靠也能保證消息本身是可靠的，也就是至少被竊取了一定能夠被發現，因此信道的可靠性仍然是可以保證的，比特幣的理論根基至少在目前仍然是無懈可擊的。

比特幣和量子力學，這兩個看似完全沒有關係的概念竟然如此緊密地聯繫在一起，這個世界真的很神奇。而從中，我們也可以看到基礎學科研究的重要性。比特幣是我們經濟、金融和社會生活的重要創新，然而它的基礎卻是由量子力學這樣的基礎學科保證的。在我們發展科學技術的過程中，技術的進步往往更加顯而易見，也更讓人喜聞樂見。然而投入大、見效慢的基礎科學研究卻往往起著更關鍵的作用。相比而言，國外對於基礎學科的研究比我們更加重視。也希望我們國家在這一方面能夠迎頭趕上。

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