量子计算将攻破区块链？中国人民大学教授袁勇谈该如何应对

C114讯4月21日消息区块链具有三大技术特点：去中心化、极难篡改、安全性高。而传统密码学理论的安全性基础是困难数学问题的计算复杂度理论。随着量子计算机的发展，破解传统密码只是时间问题。

在量子计算威胁区块链的相关论述中，持有此观点的一方给出的论据主要包括两点：一是量子计算会威胁比特币的安全协议；二是算力更大的量子计算机能垄断“挖矿”。

那么当量子计算和区块链不期而遇时，量子计算到底能不能攻破区块链？

4月19日下午，在山东济南召开的量子计算与数据安全论坛上，中国人民大学教授袁勇介绍了量子计算和区块链的现状，并提出对此问题的见解。

DoraHacks增持量子计算平台，推动量子开发者社区发展:2月6日消息，全球极客运动DoraHacks关联风险基金Dora Ventures在过去一个月通过关联方持续增持包括Rigetti，IONQ等量子计算基础设施股票。

DoraHacks正在积极建立开源量子开发者社区，并在过去两年资助了多个全球领先的量子计算组织和开源量子黑客马拉松。[2023/2/6 11:49:59]

存在危险需未雨绸缪

袁勇表示，根据其2019年做的一个初步研究显示，量子计算确实对于区块链底层的密码学机制，尤其是非对称的公钥密码学机制有非常重要的影响。

对于区块链来说，非对称密码学一般基于三种典型的数学困难问题，也就是质因数分解、椭圆曲线离散对数、素数域的离散对数。这些困难问题归根结底都是一种单向的相应的函数，这种函数正向的计算非常的容易，但是基于当前的战略，逆向计算是非常困难的。

声音 | 朱幼平：量子计算技术为区块链带来更多机会:金色财经报道，国家信息中心中经网管理中心党总支副书记朱幼平表示，区块链最大的优势是安全，连对安全要求很高的金融交易都可以在这里完成，但最大的毛病是效率低。他强调，大可不必因量子计算的兴起而对区块链未来的发展应用产生恐慌。实际上借助量子计算的能力，区块链将迎来更大的发展机会。在5G甚至未来量子计算的技术加持下，这些弱势将被快速补足。量子计算技术成熟应用后，数据打包、传输、确认的速度会更快，这与区块链目前的短板会形成补充，将不用担心未来要牺牲“去中心化”而兼顾效率的难题。朱幼平也向指出，实际上可以把区块链理解成边缘计算的逻辑，在云计算这一高效率的中心化计算平台基础上，区块链实现安全的分布机制，将安全性和高计算能力结合，就能对外解决很多问题。[2019/12/13]

以Gover算法对区块链的影响为例，Gover算法上在无序数组上搜索的时间为θ，因而可以加速哈希碰撞的搜索过程，相对经典算法提供二次加速增强效果。攻击者可以通过搜索哈希碰撞来篡改区块链数据，甚至替换全部链上数据。量子计算利用Grover算法可以快速找到共识解，帮助攻击者垄断区块链记账权，进而可随意破坏交易。

动态 | 谷歌称其量子计算机已实现“量子霸权”，将全面迈入量子计算时代:谷歌研究人员本周在刊登在美国航天局NASA的网站一篇论文中表示，谷歌的处理器能够在3分20秒内执行完成当今最强大的超级计算机Summit需要10000年才能完成的计算。研究人员表示，这意味着谷歌的量子计算机已实现了“量子霸权（quantum supremacy）”，量子霸权是量子计算设备解决经典计算机实际上无法解决的问题的潜在能力。同时该研究人员预测，此次标志着迈向全面量子计算时代的里程碑，根据摩尔定律的指数速度，量子计算机的能力将以“双指数速度（double exponential rate）”发展。但研究人员也表示，该系统只能进行单一的、技术性很强的计算，使用量子计算机解决实际问题还需要数年时间。目前该论文已经从NASA网站撤回。据悉，目前国际密码学公认基于Hash函数的数字签名（Hash-based cryptography）能抗量子计算机攻击，如Merkle在 1989 年提出的认证树签名方案，它的安全性基于Hash函数的安全性。目前尚未存在有效针对一般Hash函数的量子计算机攻击。（金融时报）[2019/9/21]

比特币PoW共识中随机数空间Nonce即使扩展到48位，经典计算机遍历都需要465天，而量子计算机只需θ次操作，用时仅2秒。

吴迪：量子计算机会破解私钥 毁灭区块链:IVN量子加密技术发明者吴迪表示：“量子计算机如果出现量产，那么所有数字货币的私钥将被破解，其它人会通过量子计算机算出私钥拿走你的钱。如果区块链加密算法不革新，在量子计算机时代，区块链就一定会完蛋。而量子计算机量产大概需要3-5年时间。”[2018/5/11]

但作为国内最早的区块链技术研究者之一，袁勇曾在《区块链——领导干部读本》一书中明确表示：“总体上来说，我不太认同量子计算对区块链产生威胁。”

“首先，对方并没有以发展的眼光来看待问题。量子计算和区块链，或者说量子计算跟密码学一定会呈现共生演化的趋势，二者相互促进，不能用十年后的量子计算与现有的比特币密码体系相提并论。”袁勇说：“我相信密码学体系和区块链的技术一定会有相应的手段应用量子计算威胁。”

针对量子计算算力惊人的观点，袁勇也予以了反驳。据他介绍，比特币的共识算法是以算力为基础的。因此可能面临量子计算的威胁。但是区块链技术体系中的共识算法子PoW之后，呈现出百花齐放的发展态势，目前至少已有30余种共识算法。此外，还有Paxos和Raft传统分布式一致性算法可以运用，这些共识协议在很大程度上可以抵御量子计算攻击。所以，如果量子计算确实产生威胁，区块链可以通过切换共识协议来解决。

同时，袁勇也认为，危险确实存在，我们也需要未雨绸缪。对此，他提出了两个应对方案：抗量子区块链+量子区块链。

其中，抗量子区块链的主要发展方向是融入目前的公有区块链体系，而量子区块链由于需要分布式的节点，还需要一定的量子能力，更适用于联盟链的体系。

抗量子区块链研究现状

抗量子区块链的主要思路是利用抗量子密码学代替传统密码学算法，基于计算安全性假设，即假设特定数学困难问题不能被量子计算机有效解决。

目前主流的抗量子密码方案包括：基于哈希的密码学方案、基于编码的密码学方案、基于格的密码学方案、基于多元变量的密码学方案、以及基于超奇异椭圆曲线同源密码方案等。

如提出区块链化的后量子签名方案BPQS，是第一种使用区块链或DAG结构来降低签名成本的后量子签名方案，其签名更短、速度更快。

QuantumResistantLedger是一种抗量子加密货币，翟永基于哈希的签名方案XMSS代替比特币的Secp256椭圆曲线来提供抗量子安全性，其目的是作为量子时代比特币的后备版本。

量子区块链的探索

量子区块链的主要思路是基于量子密码学提供无条件安全性，即在敌手具有算力的条件下仍然保证安全，一般须固定的网络参与节点。

在量子区块链的探索中，2018年俄罗斯量子中心学者提出基于QKD技术取代区块链中的数字签名算法，实现了城市光纤网络中具有无条件安全特性的分布式量子区块链原型网络。

其优点是采用经典的ByzantlneAgreement共识协议，实现了4节点拜占庭容错。缺点是方案不够完整，欠缺具体算法和安全性分析。如果存在大量恶意节点，BA共识协议通信复杂度极高。

量子通信与分布式区块链通信网络具有极强的互补性，将二者有机结合，可以实现高度安全、高度容错、低成本的量子区块链通信网络。利用区块链体系架构，可以实现量子通信中的拜占庭容错机制、量子中继网络的分布式容错控制，将目前基于高成本可信中继节点的京沪干线升级基于低成本可容错节点的广域量子骨干网。

此外，袁勇还提及了量子计算+区块链的其他潜在方向：如量子随机区块链，利用量子随机数发生器设计新型区块链共识算法，实现区块链共识过程中的快速、安全和高效确认，解决区块链性能缺陷。分布式量子计算则可利用区块链技术汇聚算力，有效降低量子计算机的应用门槛。

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