量子區塊鏈——可抵禦量子計算機入侵的時間機器

在一項最新研究中，科學家提出了一個「量子區塊鏈」的概念設計，或許能讓區塊鏈系統免受量子計算機黑客的攻擊。新的編碼程序可以被詮釋為非經典地影響著過去；因此這種去中心化的量子區塊鏈可以被視作為一個量子網路化的時間機器。

區塊鏈是一種經典資料庫類型，它存儲著與過去有關的信息，例如財務或其他交易歷史記錄。獨特的設計使它難以被篡改，並且不需要一個中央機構來維持其持續的準確性。區塊鏈最著名的應用便是眾所周知的比特幣，但近幾年各種創業公司、企業聯盟和研究項目已經探索出了區塊鏈技術的許多其他潛在用途。

根據2015年世界經濟論壇調查顯示：到2027年，預計全球GDP的10％將可以被儲存在區塊鏈技術中。

但是，區塊鏈可能會因另一項即將到來的重大技術而面臨麻煩——那就是量子計算機。傳統計算機通過控制晶體管的開啟或關閉，將數據表示為1和0，而量子計算機使用的則是量子比特。由於量子物理所具有的一部分超現實特性，量子比特可以處於同時為0和1的疊加狀態。

疊加允許一個量子比特能一次執行兩個計算，如果兩個量子比特通過一種被稱為糾纏的量子效應相連在一起，那麼它們可以同時執行22（即4）個計算；三個量子比特則可進行23（即8）個計算，以此類推。理論上，具有300個量子比特的量子計算機可在瞬間執行的計算次數多過可見宇宙中的原子數量。一個足夠強大的量子計算機可以成功地破解當下所有的加密系統，包括被用來保證（經典）區塊鏈安全的密碼協議。

20個量子比特就可以平行存儲約100萬個數值。| 圖片來源：Kurzgesagt

現在，紐西蘭惠靈頓維多利亞大學的理論物理學家提出了一個可以抵禦量子計算機黑客攻擊的量子區塊鏈。該系統的所有組件都已通過實驗實現。這項研究的第一作者 Del Rajan 說：「以前也有研究展示過與量子操作一起運作的區塊鏈，但就區塊鏈本身來說從來都不是量子的。而我們正在推出的是第一個全方位的量子區塊鏈。」

量子區塊鏈理論上依賴於量子糾纏。當兩個或兩個以上的粒子（如光子）糾纏在一起時，無論相距多遠，它們都可以產生瞬時的相互影響，愛因斯坦將這種現象稱之為「鬼魅般的超距作用」。

量子計算機和其他量子技術通常依賴於空間上的糾纏。但新的量子區塊鏈依賴的則是時間上的糾纏——也就是說，兩個或多個粒子通過糾纏連接在了一起，無論在時間上它們相隔多遠。

傳統的區塊鏈將收集到的數據放入區塊中，並使用加密演算法將每個區塊按時間順序連接在一起。如果黑客試圖篡改某個特定的區塊，那麼其加密設計會在該區塊被篡改之後，使該區塊之後的所有區塊失效。

在量子區塊鏈中，區塊中的記錄被編碼為一系列彼此糾纏的光子。這些區塊通過時間糾纏按時間順序連接。

由於構成量子區塊鏈的區塊會在由量子計算機構成的網路之中相互傳輸，編碼每個區塊的光子得以被創建、再被組成網路的節點吸收。然而，糾纏將這些光子在時間尺度上連接起來，即使是沒有同時存在過的光子。

Rajan說：「關於過去交易的記錄被編碼成一個隨時間發散的量子態。」

在這種情況下，黑客不能篡改過去的任何光子編碼記錄，因為這些光子在當前時間之內不再存在——它們早已被吸收。黑客最多能做到的就是試圖篡改最新的光子（即最近的區塊）。而成功執行這樣的操作將使該區塊無效，從而告知其他區塊——它已被黑客入侵。Rajan說：「從理論上來說，這比標準情況下攻擊者能夠篡改任何區塊的情況安全性更高。」

有了時間上的糾纏，測量一個區塊中的最後一個光子會在測量之前影響該區塊的第一個光子。區塊鏈的當前記錄與過去的記錄相關。而在量子區塊鏈中，過去的記錄在本質上是一個不存在的記錄。惠靈頓維多利亞大學的理論物理學家 Matt Visser 說：「這項成果可被看作是一個量子時間機器。」

編譯：二宗主

參考來源：

https://arxiv.org/pdf/1804.05979.pdf

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/networks/quantum-blockchains-could-act-like-time-machines

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