量子计算|10000年的工作量如今只要200秒 区块链技术的一生之敌

谷歌已经宣布开发出了世界上最强大的量子计算机,这意味着以往10000年才能完成的计算工作,量子计算机只需要200秒就可以完成。不仅如此,量子计算还将对区块链的安全性造成冲击,传统的区块加密技术会在未来会被量子计算降维打击。

什么是量子计算

量子计算是基于量子理论发展出的计算机技术,量子计算机遵循物理定律,它在同一时间可以采取多种状态并使用所有可能的计算排列方式执行任务,因此在处理数据的能力上得到了巨大提高。

传统的计算机理论依据现有的二进制计算方式,虽然现在测量每个晶体管选择0或者1的时间已经能够缩减到十亿分之一秒,不过这些器件转换状态的速度是有限的。随着我们向更小、更快的集成电路发展,人类已经接触到了这些材料的物理极限,想要从这个方面继续提高计算机的性能并非不可能,只不过这样做的成本和收益是不划算的。


10000年的工作量如今只要200秒,区块链技术的一生之敌出现了

量子计算尝试从另一个角度来解决这个问题,在量子计算机中,元素粒子的电荷正负可以表示成0或1,这些粒子被称为量子比特,它们的性质和行为构成了量子计算的基础。

量子计算的原理

量子计算运用了量子物理的两个最重要的原理,分别是量子叠加原理和量子纠缠原理。叠加原理将量子想象成磁场中的某个粒子,该粒子的自旋状态既可以和自旋上升态的场相同,也可以和自旋下降态的场相反。根据量子定律,当这些粒子进入叠加态后,它可以在取0或1的基础上完成叠加,这将使得它代表的数值发生变化。概括地讲,叠加原理让粒子分为两部分,一部分取0,一部分取1,比如一部分0和5个1的叠加,就会产生5。纠缠原理指在某一点上相互作用的粒子可以成对纠缠在一起,当我们得知其中一个粒子的自旋状态后,就可以从相反方向推断出它同对的另一个粒子。而且,不管相关粒子之间的距离有多大,它们都可以瞬间相互作用。纠缠原理就是指同对出现的粒子会产生相互作用,这样的作用和粒子之间的距离无关。


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量子叠加和量子纠缠让量子计算拥有了强大的计算能力,普通计算机的两个存储单位只能存储四个二进制数字(00、01、10和11)中的任意一个,而量子计算机在拥有两个存储单位时,可以同时存储这四个数值。如果增加更多的量子单位,计算机的容量将会以指数方式扩展。

区块链技术的一生之敌

区块链技术的加密手段依赖于密码对,即私钥和公钥。公钥可以从私钥的对应项计算得来,但是不能反过来推知私钥。量子计算机能够通过跨越量级来实现这一点,也就是由公钥破解私钥,最终攻破整个加密体系。

不过,现有的量子计算机还不能完全达到这样的水平,谷歌的量子计算机目前具有53个量子比特,而想要对区块链技术产生影响,至少需要1500个量子比特才能完成。但是至少从理论上讲,量子计算是能够威胁到区块链技术的。

不过,想要扩展量子计算机也并非易事。虽然Shor算法可以通过公钥破解私钥,但是预计在近十年这种情况是不会发生的,因为目前的技术想要从现有的量子计算机基础上扩展30倍是非常困难的,不过科学的进步将使这一天加速到来。


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加密技术向量子密码的过渡

虽然量子计算将重挫传统的区块链加密技术,但是它同样带来了新的密码系统,也就是量子密码学。量子密码学利用了物理学知识,保证在不知道信息的发送接收双方的情况下,信息不会泄露。量子密码不同于传统的密码系统,它更依赖物理学,而不是数学,这是它安全性更高的根本原因。

从本质上将,量子密码学的基础是利用单个粒子及其内在的量子特性发展一个牢不可破的密码系统,在不受干扰的情况下,任何形式的量子态都不能被测量。量子密码将采用光子传输密钥,一旦密钥被发送,就可以使用普通密钥的方法进行编码和解码。每个光子的自旋类型都代表二进制中的1或者0,一串光子将构成一个1和0组成的长字符串,这些字符串将传递信息。根据物理理论,正确构建出量子密码后,任何人都无法侵入系统。


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在常规的加密技术中,破解私钥需要找到一个数的因子,而这个数将由两个巨大的质数的乘积构成,如果通过算法想要计算出这个结果,你需要从宇宙诞生的那一天开始算起。但是,这种常规加密技术存在弱点,一些弱键将会产生漏洞,并且摩尔定律不断提高计算机的处理能力,这些加密方法的破解虽然是困难的,但是并非不可能的。

量子密码就避免了这些问题,密钥被加密成一串光子,根据海森堡不确定性原理,在不改变光子的情况下,任何人都无法观测到这些光子存储的信息。在这种情况下,入侵者拥有的技术并不重要,因为物理学定律是难以打破的。

量子计算的局限

虽然量子计算拥有了无与伦比的速度,也可以击破传统的加密技术,但是它自身也非常脆弱。在量子计算的过程中,即便是最轻微的电磁波干扰,也会导致量子计算崩溃,所以量子计算机对环境的要求非常苛刻,在运行过程中需要与外界干扰完全隔离。并且,如果计算的过程中出现一个错误,会导致整个计算的有效性崩溃,也就是说量子计算的纠错会导致整个计算体系失效。


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量子计算对区块链技术的降维打击是必然出现的,不过这也正符合科技进步的道理。所以,无论是区块链加密技术,还是量子计算技术,都值得人们好好研究。


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本文作者2019-12-23 11:38
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无中生有的数字货币,真能给我带来财富吗?发布时间:2019-12-23
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