量子計(jì)算機(jī)是否真的能瓦解區(qū)塊鏈

顛覆性、劃時(shí)代、革命性……量子計(jì)算光環(huán)太多，又有不近人情的“高冷”。另一邊，開年以來，區(qū)塊鏈火得一塌糊涂。網(wǎng)上熱傳的“3點(diǎn)鐘不眠區(qū)塊鏈社群”，神秘而火爆。

最近，它倆不期而遇了。據(jù)外媒報(bào)道，一臺(tái)具有4000個(gè)以上量子比特的量子計(jì)算機(jī)就能瓦解區(qū)塊鏈。若有人能做出這樣的量子計(jì)算機(jī)，就能解出并驗(yàn)證每筆交易，未來產(chǎn)生的所有加密貨幣都會(huì)被其壟斷，加密貨幣的信任系統(tǒng)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(jì)算威脅區(qū)塊鏈的相關(guān)論述中，持有此觀點(diǎn)的一方給出的論據(jù)主要包括兩點(diǎn)：一是量子計(jì)算會(huì)威脅比特幣的安全協(xié)議；二是算力更大的量子計(jì)算機(jī)能壟斷“挖礦”。

誕生于2009年的比特幣是區(qū)塊鏈技術(shù)最著名的應(yīng)用。比特幣的安全協(xié)議涉及兩種類型的密碼學(xué)，即挖掘過程中使用的散列函數(shù)和用于在區(qū)塊鏈上提供數(shù)字簽名的非對(duì)稱密碼術(shù)。

在“擊破論”支持者看來，量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)對(duì)這兩道安全防線產(chǎn)生巨大威脅。未來，量子計(jì)算機(jī)能很快破解哈希函數(shù)，從而壟斷整個(gè)區(qū)塊鏈，讓比特幣的安全協(xié)議“作廢”。

“挖礦”是指利用芯片的計(jì)算能力，在比特幣全球網(wǎng)絡(luò)中不斷進(jìn)行哈希運(yùn)算，比對(duì)手更快地求解，找出符合特定要求的隨機(jī)數(shù)，以此贏得在公開賬簿上的記賬權(quán)，從而獲得系統(tǒng)獎(jiǎng)勵(lì)的比特幣。本質(zhì)上，“挖礦”是個(gè)數(shù)學(xué)問題。

比特幣常說的“51%攻擊”就是指在區(qū)塊鏈中，如果一個(gè)礦工組擁有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)51%的算力，他們就會(huì)永遠(yuǎn)比其他擁有49%算力的礦工組更快地處理區(qū)塊。也就是說，他們將壟斷整個(gè)區(qū)塊鏈，得到之后產(chǎn)生的所有比特幣。

針對(duì)量子計(jì)算機(jī)威脅“挖礦”的問題，來自新加坡國立大學(xué)的戴夫士·阿加沃爾和該校研究人員在2017年10月發(fā)表了相關(guān)論文。他們認(rèn)為，至少在未來十年內(nèi)，ASIC礦機(jī)（使用ASIC芯片作為算力核心的礦機(jī)）的“挖礦”速度會(huì)比量子計(jì)算機(jī)快，但十年后量子計(jì)算機(jī)的“挖礦”速度將大幅提升。

“攻破”一說為時(shí)尚早

針對(duì)“4000量子比特的量子計(jì)算機(jī)能瓦解區(qū)塊鏈”的說法，中科院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心研究員吳振華表示這并非空口無憑。

“這個(gè)是有依據(jù)的，是比對(duì)了枚舉法破解區(qū)塊鏈所需要的計(jì)算能力和4000個(gè)量子比特的計(jì)算能力之后做出的判斷。當(dāng)然要求也很高，需要4000個(gè)量子糾纏的比特，同時(shí)要保證極低的錯(cuò)誤率?！眳钦袢A解釋說。

而現(xiàn)實(shí)情況是，目前的量子計(jì)算機(jī)最多實(shí)現(xiàn)72比特的計(jì)算能力，并且越往上增加難度越大。

作為國內(nèi)最早的區(qū)塊鏈技術(shù)研究者之一，中科院自動(dòng)化所副研究員袁勇的態(tài)度非常明確：“總體上來說，我不太認(rèn)同量子計(jì)算對(duì)區(qū)塊鏈產(chǎn)生威脅（的說法）?！?/p>

“首先，對(duì)方并沒有以發(fā)展的眼光來看待問題。量子計(jì)算和區(qū)塊鏈，或者說量子計(jì)算跟密碼學(xué)一定會(huì)呈現(xiàn)共生演化的趨勢(shì)，二者互相促進(jìn)，不能用十年后的量子計(jì)算與現(xiàn)有的比特幣密碼體系相提并論。”袁勇說，“我相信密碼學(xué)體系和區(qū)塊鏈的技術(shù)一定會(huì)有相應(yīng)的手段應(yīng)對(duì)量子計(jì)算的威脅。”

針對(duì)量子計(jì)算算力驚人的觀點(diǎn)，袁勇也予以了反駁。據(jù)他介紹，比特幣的共識(shí)算法是以算力為基礎(chǔ)的，因此可能面臨量子計(jì)算的威脅。但是區(qū)塊鏈技術(shù)體系中的共識(shí)算法自PoW（即Proof of Work，工作量證明機(jī)制）之后，呈現(xiàn)出百花齊放的發(fā)展態(tài)勢(shì)，目前至少已有30余種共識(shí)算法。很多其他加密貨幣的共識(shí)算法都不是以算力挖礦為基礎(chǔ)，例如權(quán)益記賬、代表記賬、隨機(jī)記賬等。此外，還有Paxos和Raft傳統(tǒng)分布式一致性算法可以運(yùn)用，這些共識(shí)協(xié)議在很大程度上可以抵御量子計(jì)算攻擊。所以，如果量子計(jì)算確實(shí)產(chǎn)生威脅，區(qū)塊鏈可以通過切換共識(shí)協(xié)議來解決。

袁勇解釋說：“當(dāng)然，這些新共識(shí)協(xié)議，特別是用于公有鏈的共識(shí)協(xié)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(shí)。但這些共識(shí)算法的未來可期，我們實(shí)際上有很多選擇?！?/p>

袁勇笑道：“量子計(jì)算對(duì)比特幣有威脅，但它對(duì)傳統(tǒng)銀行體系的威脅更大。天塌下來有個(gè)子高的頂著，以體量來說，還輪不到比特幣‘杞人憂天’。”

短期內(nèi)或難實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”

量子計(jì)算近來捷報(bào)頻傳。3月6日，谷歌宣布推出一款72個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)Bristlecone（“狐尾松”），其錯(cuò)誤率低至1%，與9個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)持平。此前，IBM剛剛曝光其50個(gè)量子比特量子原型機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造。

本土力量也不甘示弱。近日，中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉正式發(fā)布中科院聯(lián)合阿里云打造的11量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算的云平臺(tái)，這是繼IBM后全球第二家向公眾提供10量子比特以上超導(dǎo)量子計(jì)算云服務(wù)的系統(tǒng)。郭光燦院士團(tuán)隊(duì)也介紹其本源量子計(jì)算云平臺(tái)已成功上線32比特量子虛擬機(jī)，并已實(shí)現(xiàn)了64量子比特的量子電路模擬，打破IBM Q的56位仿真紀(jì)錄。

這一系列動(dòng)作，讓今年的“量子霸權(quán)”爭(zhēng)奪戰(zhàn)來得比預(yù)期更早?！傲孔影詸?quán)”又被稱作量子優(yōu)越性，即50量子比特的量子計(jì)算機(jī)優(yōu)于現(xiàn)在的任何一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，達(dá)到“量子霸權(quán)”才算真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算可以顛覆現(xiàn)有計(jì)算行業(yè)，它能輕易通過枚舉算法解決大量現(xiàn)有復(fù)雜算法才能解決的問題，對(duì)量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)直接模擬仿真。但吳振華表示：“雖然量子計(jì)算的功力沒有被夸大，但它的實(shí)現(xiàn)難度很大。由于種種原因，現(xiàn)在很多觀點(diǎn)或報(bào)道（對(duì)量子計(jì)算的預(yù)期）過于樂觀?！?/p>

谷歌推出的量子計(jì)算器Bristlecone能夠支持多達(dá)72個(gè)量子位，號(hào)稱“為構(gòu)建大型量子計(jì)算機(jī)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(cuò)誤率控制在足夠低的水平，在解決明確的計(jì)算科學(xué)問題時(shí)就能超越傳統(tǒng)硅計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)所謂的“量子霸權(quán)”。

但實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”要克服很多困難，何時(shí)成真還沒有定論。

量子計(jì)算伴有噪聲，即隨機(jī)波動(dòng)和錯(cuò)誤。對(duì)此，技術(shù)樂觀派們認(rèn)為“降噪”是個(gè)技術(shù)性、工程性難題，遲早可以解決。

另一撥人卻不這么想。耶路撒冷希伯來大學(xué)數(shù)學(xué)家吉爾·卡拉伊是反量子計(jì)算的代表人物，他一直關(guān)注量子計(jì)算復(fù)雜度與噪聲問題。在他看來，噪聲的降低必然伴隨著量子比特?cái)?shù)指數(shù)式的增加。由于后者無法實(shí)現(xiàn)，因此“量子霸權(quán)”也難以實(shí)現(xiàn)。