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提到量子计算（Quantum Computing），不知您会想到什么？您会认为它比时下普遍采用的密码学应用更加安全可靠吗？下面，我将和您谈谈量子计算对于比特币和以太坊等公有区块链上数字资产的安全性挑战与机遇。
什么是量子计算？
量子计算是一种全新的计算范式。它利用叠加（superposition）和纠缠（entanglement）等量子力学现象，对数据进行运算。因此，由其产生的量子计算机，能够比传统计算机更快地解决诸如：分解大数或搜索大型数据库等应用问题。
下面，让我们将量子计算机与日常传统的计算机进行一个简单的比较。例如，针对常被用于安全通信的2048位RSA密钥，进行分解的数学场景。据估计，传统的计算机使用最知名的算法，至少需要数十亿年，才能分解出2048位RSA密钥。而相比之下，采用Shor算法的量子计算机，可以在几小时或几天之内（具体取决于量子位的数量和量子硬件的质量），分解出2048位RSA密钥。
不过，事情远非想象的那么简单。构建能够运行Shor算法的大型量子计算机，本身就是一项富有挑战的大工程，而且目前尚不存在此类计算机。当前，最大的量子计算机只有约100个量子位，这远不足以分解2048位的RSA密钥。可见，您至少需要4,000个逻辑量子位，才能在几天或更短的时间内，分解出2048位的RSA密钥。
那么，我们是否可以认为2048位的RSA密钥仍然是非常的安全呢？其实，密码学界已经充分意识到了此类威胁，并且正在积极地致力于开发量子安全（quantum-safe）的密码体系。
为了抵抗各类经典计算机和量子计算机的攻击，“量子安全密码学”正在紧锣密鼓地被开发和标准化中，以取代当前易受攻击的算法，并确保数字通信和资产的持续安全。
量子安全密码学的一个典型用例当属：基于晶格的密码（lattice-based cryptography）。它依赖于晶格理论中对某些问题的难解特性。而这些问题往往被认为是可以用来抵抗量子攻击的。当然，其他候选的技术也包括：基于代码的密码、 多元（multivariate）密码、以及基于散列（哈希）的签名等。
质数因式分解与加密货币领域的关系
众所周知，目前加密系统所依赖的理论基础是：使用经典计算机将大数分解为其对应的质因数，在计算时间与开销上是不可行的。因此，对于大素数进行因式分解是许多密码系统的重要组成部分，其中就包含了已被广泛使用的RSA加密和数字签名等方案。
在RSA加密算法中，公钥是通过两个大素数相乘生成的，而私钥则是从该乘积的因子中得出的。RSA加密算法的安全性依赖于难以将两个大素数的乘积，分解出对应的因子。这也就使得攻击者很难获得用于解密消息的私钥。
类似地，在RSA和椭圆曲线加密（Elliptic Curve Cryptography，ECC）等数字签名方案中，私钥用于对消息进行签名，公钥用于验证签名。这些方案的安全性都依赖于分解大数的难度。不过，由于量子计算机能够运行Shor算法，因此它可以有效地分解出大量因子，进而破坏现有加密系统的安全性。这也就是为什么面对量子计算的进步，开发量子安全密码算法，对于确保数字通信和资产的持续安全，能够起到至关重要的作用。
什么是Shor算法
Shor算法是一种用于高效分解大数的量子算法。它是由Peter Shor于1994年开发，并已成为了目前最著名的量子算法之一。
该算法的工作原理是：查找函数的周期。它是指在一定次数的迭代之后，重复出现的某种数学属性。在对大数进行因式分解的场景中，所使用到的函数是模幂函数（modular exponentiation function）。它首先对一个基数进行求幂运算，然后去除以某个大数，以得到余数。由于过于复杂，我们在此并不展开解释。
量子计算对于区块链完整性的威胁
量子计算机可以利用其速度上的优势，来操纵区块链网络。而此类网络需要根据共识算法，来商定账本的状态。例如，拥有量子计算机的攻击者，可以通过在寻找新的区块，以创建更长的链，并通过设法超过诚实的节点，以针对以工作量证明（proof-of-work）为基础的区块链（如：比特币），发起51%攻击。在此基础上，攻击者还能够开展各种双花交易（double-spend transactions），甚至重写账本的历史记录。也就是说，他们可能会破坏网络中由大多数参与者达成的协议，并且用生成新的区块来改写共识机制。
量子计算带给区块链的好处
当然，量子计算也可以为区块链技术带来包括：增强其性能、可扩展性、以及效率等好处。例如，量子计算机可以为区块链应用程序（如：智能合约、供应链管理、以及医疗记录等）提供高水平的计算能力和数据分析。如今，业界已有一种趋势--将它们结合在一起，形成所谓的量子区块链（Quantum Blockchain）。
同时，量子计算也可以使用量子加密和签名机制，来保护各项区块链交易，并使用量子共识算法来生成新的区块。此外，量子区块链还可以使用量子云计算平台，来使得区块链更易于访问和便于交易。
小结
综上所述，量子计算对于区块链技术而言，既带来了挑战，也带来了机遇。它可以通过破坏现有加密系统和共识逻辑，来威胁其安全性；也可以通过启用新的计算形式、增强的加密与签名过程，来增强其性能、可扩展性和效率。新兴的量子区块链解决方案，将集成两种技术的各自优势，以创建出更安全、更实用的网络。
译者介绍
陈峻（Julian Chen），51CTO社区编辑，具有十多年的IT项目实施经验，善于对内外部资源与风险实施管控，专注传播网络与信息安全知识与经验。
原文Quantum Computing's Threat to Public Blockchain Integrity，作者：Kishan Kumar)
