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量子计算机使区块链安全性受到威胁

来源: 首页 > 第三方支付

2018-11-22 00:01:36 
到2025年,全球国内生产总值的10%可能会储存在区块链上。区块链是一种数字工具,使用加密技术来保护信息不受未经授权的更改。区块链相关产品从金融、制造业到医疗保健,在价值超过1500亿美元的市场上随处可见。
当信息变成资产时,数据安全、透明度和问责制就变得至关重要。区块链是一种安全的数字记录或分类账。它是由全球用户共同维护的,而不是由一个中央管理机构来维护。诸如是否在分类帐上增加一个分录(或区块)之类的决定是基于共识的协议的——所以个人信任不包含其中。网络内外的任何一方都可以通过简单的计算来检查总账的完整性。

但在十年内,量子计算机将能够破解区块链的密码。在这里,我们将重点介绍量子技术如何使区块链变得更脆弱,以及如何使它们更加安全。

单向代码

区块链的安全依赖于“单向”数学函数。在传统计算机上运行这些程序非常简单,而且很难进行反向计算。例如,用两个大素数相乘很容易,但要找到给定产品的素因子却很困难——这可能需要一台传统的计算机计算多年才能解决。

这些函数用于生成数字签名,区块链用户引用这些签名向其他人验证自己的身份。这些东西很容易检查,而且很难伪造。单向函数还用于验证区块链分类帐中的事务历史。哈希值是数位的短序列,由现有的分类帐和要添加的块组合派生;每当条目的内容发生更改时,哈希值就会相应的改变。同样,查找一个块的哈希值(处理添加记录的信息)相对容易,但要选择一个产生特定哈希值的块则比较困难。这将需要反转过程来派生产生哈希值的信息。

比特币还要求哈希值符合数学计算条件。任何想在分类帐上增加一个块的人都必须让他们的计算机在达到那个条件之前进行随机搜索。这个过程减慢了块的添加速度,给了网络中每个人记录和检查所有内容的时间。它还阻止任何个人垄断网络管理,因为任何具有足够计算能力的人都可以贡献块。

然而,在10年内,量子计算机将能够计算出单向函数,包括用于保护互联网和金融交易的区块链。广泛部署的单向加密函数将立即过时。

信息安全曾经面临过大灭绝。例如,在第二次世界大战期间,德国的军事信息使用Enigma机器进行编码和解密,最初给轴心国带来了优势,直到盟军破译了Enigma密码。在1997年,数据加密标准——一种加密电子数据的算法在一场公开竞赛中被打破,这就足以证明其缺乏安全性。这引发了开发新协议的第二次竞争,从而产生了今天的高级加密标准。

量子计算机的优势

量子计算机利用物理效应,例如状态的叠加和纠缠,来执行计算任务。它们目前的功能远远不如传统计算机,但很快就能在某些任务上超过它们。一个这样的例子就是破坏了基于密码算法的安全协议,正如数学家彼得·肖尔在1994年指出的那样。区块链正面临这种风险,单向函数是其唯一的防御手段——用户需要保护是数字签名,而银行客户则受到塑料卡、安全问题、身份检查和人工出纳的保护。

因此,数字签名的破解是最紧迫的威胁。配备量子计算机的不法分子可以利用肖尔的算法伪造任何数字签名,模拟用户并盗用他们的数字资产。大多数专家认为,这一壮举将需要一台通用量子计算机(能够进行各种各样的计算),但这需要十多年的时间才能实现。然而,一些研究人员认为,利用新兴的量子计算设备,比如D-Wave、谷歌和其他4,5家计算公司开发的设备,这种情况可能很快就会发生。

量子计算机将很快找到解决方案,有可能使少数拥有量子计算机的用户能够审查交易,并垄断比特币账簿(即所谓的采矿)上添加的区块。这些当事人可以破坏交易,防止自己的交易被记录或重复使用。一个国际研究小组强调了此类袭击的可能影响,今年早些时候的一份报告描绘了这些威胁,并提出了可能的解决办法。

如果不更新协议,一旦量子计算机可用,加密货币就会崩溃。

提高安全性

幸运的是,量子技术也提供了提高区块链安全性和性能的机会。

量子安全加密 :量子通信本质上是经过认证的——没有用户可以模仿他人。这种技术利用单个光粒子(光子)的状态对比特进行编码并进行通信。基础物理学规定,量子态不能在不改变的情况下复制或测量。任何窃听者都会立即被发现。

量子密码学可以代替经典的数字签名。然而,量子密码网络的复杂性和成本将限制其应用。特别是,目前的协议要求网络中的每个节点通过光纤通道连接到其他节点,因为任何中间节点都不可信,因此所有通信都必须是直接的。即使信息流经不可靠的节点,但也需要协议来维护安全通信;这些系统已经开发出来,但需要让消费者更容易使用。

光纤中的光子损耗是另一个挑战。这些限制了现代量子分配系统长达几十公里的范围。其解决方案是开发一种量子中继器,利用量子隐形传态和量子光学存储器在通信双方之间分配纠缠态。研究正在进行中,但要实现一种实用的设备还有很长的路要走。

在此期间,应该加强单向职能。目前,提出了一些替代加密功能,这些功能使用传统计算机或量子计算机也同样难以逆转。虽然不是完全安全的,但它们可以在现有的硬件上运行,并可以争取时间,但从长远来看,它们也可以被破译。

量子互联网: 使用量子技术进行通信以及区块链数据的计算处理将进一步提高安全性,使区块链变得更快、更高效。这一步需要一个“量子互联网”——通过量子通信网络连接量子计算机。这样就有可能完全运行量子区块链。这些步骤将绕过目前核查和协商一致过程中一些计算密集的步骤,从而更有效率和更安全。提出的量子比特币可以实现,量子力学的非克隆定理保证了它的安全性。这样的量子“纸币”如果在未来仍然被证明是必要的,那么通过包含量子信息记录,就不可能伪造。

距离量子互联网还有几十年的时间,因此“盲目的量子计算”只是一个过渡阶段。在这种情况下,使用传统计算机的用户可以在远程量子计算机上运行算法,而无需共享输入数据或算法。这项技术将使公共云量子计算平台成为可能,使区块链更便宜、更易于使用。

下一个步骤

区块链业务需要更新其现有软件,以使用单向加密函数,而使用传统计算机或量子计算机同样难以逆转这些功函数。在这些后量子解决方案建立或标准化之前,平台必须是灵活的,能够在fly12上改变加密算法。

长期的解决方案必然是发展和扩大量子通信网络,随后是量子互联网。这将需要政府的重大投资。然而,各国也将从提供的更大的安全保障中获益。例如,加拿大将其人口普查数据保密了92年,这个做法只有量子密码学才能保证。政府机构可以使用量子安全区块链平台来保护公民的个人财务和健康数据。在量子技术领域处于领先地位的国家,如中国、美国和欧盟成员国,将是最早采用量子技术的国家。他们应该立即投资于研究。例如,将区块链成为欧洲量子密钥分发测试平台项目的一个案例研究。

需要对这些风险给予更大的紧迫性,因为它们的影响是重大的。


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