“九章”問世,量子計算將如何影響區塊鏈技術?


12月4日,中國科學技術大學宣佈:該校潘建偉團隊與中科院上海微系統所、國家平行計算機工程技術研究中心合作,成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”,求解數學演算法高斯玻色取樣只需200秒,而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使中國成為繼美國之後全球第二個實現“量子優越性”的國家。

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作者 | 馮銘

編輯 | 尹嶽

12月4日,中國科學技術大學宣佈:該校潘建偉團隊與中科院上海微系統所、國家平行計算機工程技術研究中心合作,成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”,求解數學演算法高斯玻色取樣只需200秒,而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使中國成為繼美國之後全球第二個實現“量子優越性”的國家。

12月14日,數字資產研究院學術與技術委員會主席朱嘉明在彭博2020年年會上表示,量子科學是未來十年最大的變數,量子技術是數字時代的基石,量子科學決定未來經濟。“人類全方位進入到科技主宰經濟,科技資本整合金融資本和產業資本的新時代。”

“九章”開啟中國量子計算大門

“九章屬於一個針對專門的一個計算任務-高斯玻色取樣這個特定場景設計的,因此還不能和通用計算機相比較。”運通鏈達金服科技有限公司總經理、廣州數字金融協會金融科技專委會主任鄒均向《鏈新》表示。

鄒均介紹,九章屬於模擬計算,透過76個同源光量子輸入到100模光量子干涉儀,並最終經由100個單光子探測器探測每個光路出口的光子數來完成5000次玻色取樣。其所花的時間(200秒)比採用經典計算演算法實現的時間快一百萬億倍。與經典計算機相比,九章的劣勢在於它還不是一個“可程式設計”意義上的量子計算機,只能利用光量子的相干性完成高斯玻色取樣的特殊計算。

“量子計算機比起傳統通用計算機的主要差別就是計算力。然而,量子計算機也不是適用於解析所有的問題。所以在應用上,兩種計算機各有其用法。”德鼎創新基金合夥人王嶽華向《鏈新》表示。

“就目前已公佈的量子計算機而言,優勢和劣勢都非常明確,優勢是計算能力相較於傳統計算機,有著極大跨越;劣勢是目前都屬於專用領域甚至專項的計算,並非通用計算機性質。”位元組互鏈bytelink ceo杜超向《鏈新》表示。

一個普遍的共識是,量子計算離大規模推廣應用還有很大距離。鄒均介紹,目前業界普遍將量子計算的發展分為三個階段:九章現在具備有76個光量子的精確操控能力,還屬於量子計算的初級階段,也就是所謂的“專用量子計算機”;下一階段是研發操控數百個量子位元的“模擬量子計算機”,該階段可以解決一些有實用價值的問題,例如新材料設計、最佳化演算法等;第三階段是研發可糾錯的百萬物理量子位元的“通用量子計算機”,實現量子平行計算的商業應用。

王嶽華認為,由於工程技術上的限制,量子計算機到能夠真正商用的產品,起碼還要10至15年的時間。“目前九章可以實現76個光量子的量子計算原型,而真正能夠實現商用計算則需要控制百萬級別的光量子,離真正的應用還是相當遙遠。”

杜超認為,一方面,量子計算機在許多基礎理論層面還有很多需要攻克的問題,而大範圍應用需要較深入的理論研究基礎;另一方面,量子計算機的實用,也會類似傳統計算機的進階路線,理論研究、實驗室研究、軍用、民用、大範圍普及,“具體到民用的話,還有相當長時間。”

值得一提的是,2020年10月16日,**中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學**主席指出,要找準中國量子科技發展的切入點和突破口,統籌基礎研究、前沿技術、工程技術研發,培育量子通訊等戰略新興產業,搶佔量子科技國際競爭制高點,構築發展新優勢。

“可預見的未來,中國量子計算領域必將有大量政策、資金和人才的供給,整個行業也可見的將有加速發展。”杜超表示。

量子計算能否破解區塊鏈密碼?

量子計算如此厲害,區塊鏈技術是否還能夠保障使用者密碼安全?這也成了行業內外備受關注的話題。

“在我們的有生之年,量子計算只能用於解決特定問題,是不能取代通用計算機的。量子計算機目前離商業化還有非常遠的距離,現在的一些進展(包括九章在內)都是在實驗室環境下專門設計的一些問題,在不計成本的前提下比通用計算機有優勢,但要解決一些實用問題(例如大家關注的破解密碼)還需要從現在的幾十位元提升很多(例如上千位元),而每提升一個位元都是非常艱難的,更別說物理位元和邏輯位元還有質的差異。”國際密碼學應用科學家、yottachain分散式儲存公鏈創始人王東臨向《鏈新》表示。

“先不說量子計算離商業化還有非常遙遠的距離,而且量子計算能破解的密碼種類也是有限的。”王東臨認為,公眾之所以對量子計算破解密碼有較深的印象,主要是因為最廣泛使用的rsa密碼是非常適合用量子計算來破解的。

“但在我們密碼行業,rsa早就被當成是不可靠的密碼演算法,真正專業的人是不會選用rsa演算法的,例如我至少在20年前就不再使用rsa了,btc、eth、eos、yottachain等主流區塊鏈也都不用rsa。”

王東臨認為,目前科學家所發明的量子演算法對破解主流區塊鏈使用的密碼演算法(例如aes、ecc)威脅不大,所以在可以預期的將來,量子計算對區塊鏈並不構成威脅。“反倒是銀行業普遍使用rsa演算法,所以大家如果對量子計算破解密碼的能力有杞人之憂的話,不妨把錢從銀行取出來,存到區塊鏈上更為安全。”

王東臨認為,量子計算對區塊鏈最有可能的影響是在hash計算上,也就是挖礦用的演算法。“可能帶來的影響就是今後用量子計算機來挖礦了,代替現在用的asic晶片挖礦。”

“如果放在很長遠(例如100年)的時間刻度上看,量子計算對區塊鏈所使用的一些密碼演算法是有實際威脅的,一些新的區塊鏈專案就可能未雨綢繆,提前改用抗量子的密碼演算法。對於已有的區塊鏈專案,尤其是當前的主流區塊鏈專案,也是可以透過更換密碼演算法的方式來實現抗量子攻擊。當然,更換密碼演算法是很浩大的工程,前後研發測試切換需要花費的時間也很長,但應該比以太坊升級到eth2.0要短。”王東臨表示。

鄒均認為,目前存在公認的兩個演算法會對區塊鏈產生影響:一個是破局公鑰系統的shor演算法,該演算法能對基於大整數質數因子分解難題(rsa)演算法,或者基於橢圓曲線的對數分解難題(ecc)演算法有指數級加速,也就是說,shor演算法能將經典演算法的指數級複雜性降低到多項式時間複雜度,從而破解公鑰系統。另一個是grover演算法,該演算法能將經典搜尋演算法降低一個開平方根的層度。“對區塊鏈來說,將來通用量子計算機實現商業化,公鑰系統必須升級成抗量子的密碼學演算法。”

鄒均認為,公鑰系統被shor演算法破解,使得安全界失去了一個金鑰分發的安全保障,動搖了整個社會安全技術的根基,也從一個側面方推動了量子秘鑰分發技術的出現。“目前,基於誘騙態bb84演算法的量子秘鑰分發技術已經走向商用,未來更安全的基於量子糾纏進行量子秘鑰分發的技術也已出現。可以預見,量子通訊中的量子秘鑰分發將是未來構建安全體系的一個重要部分。”

爭霸未來:融合or取代?

“量子計算的商用實現還要15至20年的時間,屆時區塊鏈技術的發展顯然不會是今天我們所能想象的。基於時間戳的dlt,也許會大幅度改成dag的資料庫形態,或是新正規化的資料結構體系。並且密碼學的演進也會進一步的完善最佳化,並不會單純到只憑著解rsa之類的數學解的密碼演算法。”王嶽華認為,量子計算並不會直接衝擊區塊鏈技術的發展,隨著各種技術的演進,彼此之間會互相影響融合。

王嶽華認為,量子計算雖然有巨大的計算力,比起通用計算機能夠在相對較短的時間破解密碼(如rsa密碼),但是密碼學也不是原地不動。例如,透過量子通訊協議bb84,只要金鑰有被駭客竊取可能,接收方就會得知,從而放棄原有的密碼,採用另一組密碼。“區塊鏈的加密機制在未來也可以採用量子加密通訊,這樣一來,量子計算也無法攻克區塊鏈的密碼機制。”

杜超認為,量子計算未來將會是人類重要的生產力組成,而區塊鏈技術,可以理解成是“生產關係”,因此,這兩個技術本身應當是相輔相成的;隨著量子技術的發展,相信區塊鏈技術也將有相對應的發展和變化,如加密演算法、量子礦機等等。

“量子計算概念出現比較早,涉及很多物理數學計算方面的理論創新,比較難以理解;區塊鏈概念出現比較晚,是一種技術融合創新,相對容易理解。兩者是不同的技術,但是也存在一些關聯關係。比如量子態不可複製、不可克隆的性質,在區塊鏈上也是比較需要的。”鄒均認為,量子計算為區塊鏈帶來改進的可能:未知量子態不可克隆性可能對區塊鏈上資產的保護有所幫助,量子隱形傳態可能對區塊鏈上的價值傳遞有所幫助。

鄒均介紹,量子通訊利用量子疊加態或量子糾纏效應等技術進行資訊或金鑰傳輸,基於量子力學原理保證傳輸安全性,量子通訊主要主要分為量子隱形傳態和量子金鑰分發兩類。量子金鑰分發基於量子力學原理保證金鑰分發的安全性,是首個從實驗室走向實際應用的量子通訊技術分支。

透過在結合經典通訊通道和量子秘鑰分發通道可以實現量子金鑰分發和資訊加密傳輸,可以提升網路資訊保安保障能力。量子隱形傳態在經典通訊輔助之下,可以實現任意未知量子態資訊的傳輸。量子隱形傳態與量子計算融合形成量子資訊網路,是未來量子資訊科技的重要發展方向之一。

杜超認為,就目前而言,“九章”對區塊鏈行業不會產生實質性的影響,一方面因為目前的量子計算機仍是專項計算,另外一方面計算力也暫時不足以影響以比特幣為主的數字加密行業。

杜超認為,未來“九章”對區塊鏈可能帶來一些挑戰:區塊鏈技術需要有加密演算法作為基礎,而當量子計算的計算能力超過現有加密演算法所需的算力極值的時候,就可能會出現加密演算法被破解的風險;另外,在可預見的未來,量子計算對於pow為主的區塊鏈算力,可能會有一定的衝擊。

“未來,區塊鏈技術想要應對量子計算的話,加密技術領域確實亟待有進一步的發展。在算力方面,量子算力也會成為pow算力的一部分。量子計算和ai的快速發展和融合,也可能會額外對區塊鏈行業產生較大的影響和風險。”


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