量子計(jì)算機(jī)算力強(qiáng)大，解決復(fù)雜運(yùn)算的速度遠(yuǎn)超常規(guī)計(jì)算機(jī)。部分專(zhuān)家估計(jì)，量子計(jì)算機(jī)可在短短幾分鐘內(nèi)破解加密，而目前最快的計(jì)算機(jī)需要數(shù)千年。因此，當(dāng)下的大多數(shù)數(shù)字安全基礎(chǔ)架構(gòu)可能受到影響，包括Bitcoin等加密貨幣依賴(lài)的密碼學(xué)機(jī)制。
本文將介紹量子計(jì)算機(jī)與常規(guī)計(jì)算機(jī)的差別，闡述前者對(duì)加密貨幣和數(shù)字基礎(chǔ)架構(gòu)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。
不對(duì)稱(chēng)加密與互聯(lián)網(wǎng)安全
不對(duì)稱(chēng)加密又稱(chēng)為“公鑰密碼學(xué)”，它是加密貨幣生態(tài)系統(tǒng)與大部分互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)的重要組成。其運(yùn)作原理是依靠一對(duì)密鑰對(duì)信息進(jìn)行加密和解密——公鑰負(fù)責(zé)加密，私鑰負(fù)責(zé)解密。相反，對(duì)稱(chēng)加密使用單一密鑰即可對(duì)數(shù)據(jù)加密和解密。
公鑰可以隨意共享，經(jīng)其加密的信息只能由相應(yīng)的私鑰解密，確保信息只對(duì)指定接收方開(kāi)放。
不對(duì)稱(chēng)加密的一大優(yōu)勢(shì)是便于信息交換，而無(wú)需通過(guò)不可靠的渠道共享密鑰。如果缺失這項(xiàng)要素，互聯(lián)網(wǎng)的基本信息安全便無(wú)法實(shí)現(xiàn)。例如，不信任的各方無(wú)法安全地加密信息，以此為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)銀行概念簡(jiǎn)直是異想天開(kāi)。
欲了解詳情，敬請(qǐng)閱讀《對(duì)稱(chēng)加密與不對(duì)稱(chēng)加密對(duì)比》。
不對(duì)稱(chēng)加密的部分安全機(jī)制依賴(lài)于一大前提，即生成密鑰對(duì)的算法顯著加深了通過(guò)公鑰推導(dǎo)私鑰的難度，而通過(guò)私鑰推導(dǎo)公鑰卻比較簡(jiǎn)單。數(shù)學(xué)上稱(chēng)之為“陷門(mén)函數(shù)”——正向計(jì)算很容易，反向很難。
目前，大部分生成密鑰對(duì)的現(xiàn)代算法均以已知的數(shù)學(xué)陷門(mén)函數(shù)為基礎(chǔ)。破解這些陷門(mén)函數(shù)需要耗費(fèi)巨大的算力，曠日持久。即使是目前最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，也需要花費(fèi)大量的時(shí)間執(zhí)行計(jì)算。
然而，如果量子計(jì)算機(jī)研發(fā)成功，情況將有極大改觀。為了深入理解量子計(jì)算機(jī)為何如此強(qiáng)大，首先要弄懂常規(guī)計(jì)算機(jī)的運(yùn)作原理。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)
我們目前所知的計(jì)算機(jī)可稱(chēng)為“經(jīng)典計(jì)算機(jī)”。經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算按順序執(zhí)行，一項(xiàng)運(yùn)算任務(wù)執(zhí)行完畢，下一項(xiàng)才可以開(kāi)始。原因是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的內(nèi)存必須遵守物理定律，狀態(tài)只能是0或1（關(guān)閉或開(kāi)啟）。
通過(guò)各種硬件和軟件方法，計(jì)算機(jī)能夠拆解復(fù)雜運(yùn)算，最終提高效率。然而，本質(zhì)還是無(wú)法改變。運(yùn)算任務(wù)必須按序逐一進(jìn)行。
我們舉例分析：計(jì)算機(jī)需要猜出一個(gè)4位密鑰。這4位的狀態(tài)可能是0或1。共有16種可能，如下表所示：
Classical computer guessing 4-bit key from 16 possible combinations
經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要逐一猜出這16種可能，每次猜測(cè)一種。這好比使用16把鑰匙開(kāi)鎖，每把鑰匙都需要試一次。如果第一把打不開(kāi)，就嘗試下一把，直至開(kāi)鎖為止。
隨著密碼長(zhǎng)度增加，組合數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在上例中，如果將密鑰長(zhǎng)度增至5位，相關(guān)組合會(huì)有32種。增至5位，則會(huì)有64種。增至256字節(jié)，組合數(shù)量接近于可觀測(cè)宇宙內(nèi)的原子估量。
然而，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度只能呈線性增長(zhǎng)。運(yùn)算速度加倍只能讓特定時(shí)間內(nèi)的猜測(cè)次數(shù)翻一番，這種線性增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于組合數(shù)量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
根據(jù)估計(jì)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要數(shù)千年才能破解55位的密鑰。作為參考，Bitcoin建議使用的助記詞不少于128位，許多錢(qián)包甚至要求256位。
如此看來(lái)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法威脅到加密貨幣和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)使用的不對(duì)稱(chēng)加密。
量子計(jì)算機(jī)
有一類(lèi)計(jì)算機(jī)正處于早期開(kāi)發(fā)階段。技術(shù)成熟后，破解上例中的問(wèn)題簡(jiǎn)直易如反掌——這就是量子計(jì)算機(jī)。它基于量子力學(xué)理論中闡述的基本原理，聚焦亞原子粒子的行為。
在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，信息以“位元”表示。位的狀態(tài)可以是0或1。量子計(jì)算機(jī)也有相應(yīng)的單位——量子位元。它是量子計(jì)算機(jī)的基本信息單位。與位元相同的是，量子位元的狀態(tài)可以是0或1。然而，量子力學(xué)特有的現(xiàn)象決定了，量子位元的狀態(tài)可以同時(shí)為0和1。
正因如此，眾多高校與私企積極參與量子運(yùn)算的研發(fā)。他們投入大量時(shí)間與資金，希望攻克該領(lǐng)域的抽象理論與實(shí)際工程問(wèn)題，突破人類(lèi)科技前沿。
然而，量子計(jì)算機(jī)也有“副作用”：量子運(yùn)算能夠輕松破解不對(duì)稱(chēng)加密的基礎(chǔ)算法，從根本上危及所有依賴(lài)不對(duì)稱(chēng)加密的系統(tǒng)。
我們回到上一節(jié)的4位密鑰破解示例。理論上講，一臺(tái)4位元量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)試驗(yàn)16種組合，執(zhí)行單次運(yùn)算即可完成任務(wù)。在本次運(yùn)算中，找到正確密鑰的概率為100%。
quantum computer guessing 4-bit key from 16 possible combinations.
抗量子密碼學(xué)
量子運(yùn)算技術(shù)可以輕松突破現(xiàn)代數(shù)字基礎(chǔ)架構(gòu)的密碼學(xué)防線，就連加密貨幣也不能幸免。
從個(gè)人用戶到政府與跨國(guó)企業(yè)，全世界的安保、運(yùn)營(yíng)和通信都會(huì)受到波及。當(dāng)然，研發(fā)機(jī)構(gòu)與人員不會(huì)“坐以待斃”，正在緊鑼密鼓地調(diào)查和開(kāi)發(fā)應(yīng)對(duì)措施。能夠抵御量子計(jì)算機(jī)的加密算法稱(chēng)為“抗量子加密算法”。
從根本上看，只需增加密鑰長(zhǎng)度，我們便可通過(guò)對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)輕松降低量子計(jì)算機(jī)破解密鑰的風(fēng)險(xiǎn)。為了規(guī)避在公共渠道共享密鑰的安全隱患，不對(duì)稱(chēng)加密讓對(duì)稱(chēng)加密邊緣化，逐漸取而代之。然而，量子計(jì)算的發(fā)展可能讓后者重新得到重視。
在公共渠道共享公共密鑰的安全問(wèn)題有望因量子密碼學(xué)得到解決。反竊聽(tīng)領(lǐng)域已經(jīng)逐漸取得進(jìn)展。利用開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)的相同原理，我們可以檢測(cè)到公共渠道的竊聽(tīng)者，判斷共享的對(duì)稱(chēng)密碼是否遭到第三方的調(diào)閱或篡改。
此外，其他抵御量子攻擊的手段也在研發(fā)之中。使用哈希運(yùn)算等基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)建大型消息以及格密碼學(xué)等方法均為有效手段。所有這些研究的目標(biāo)是尋找量子計(jì)算機(jī)難以攻克的加密類(lèi)型。
量子計(jì)算機(jī)和Bitcoinwork
Bitcoinwork同樣使用密碼學(xué)機(jī)制。礦工競(jìng)相解決密碼學(xué)難題，從中賺取區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)。如果某位礦工使用量子計(jì)算機(jī)，便可支配整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)喪失Decentralization特性，極易遭受51%攻擊。
然而，部分專(zhuān)家認(rèn)為，這并不是迫在眉睫的威脅。專(zhuān)用集成電路(ASIC)可以減弱此類(lèi)攻擊的效果，至少在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)便有望實(shí)現(xiàn)。另外，如有多名礦工使用量子計(jì)算機(jī)，攻擊的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)顯著降低。
總結(jié)
隨著量子計(jì)算機(jī)不斷發(fā)展，不對(duì)稱(chēng)加密受到?jīng)_擊似乎只是時(shí)間問(wèn)題，我們暫且不必過(guò)慮，這個(gè)領(lǐng)域還有龐大的理論和工程課題有待攻克。
信息安全即將面臨巨大威脅，大家理應(yīng)未雨綢繆，積極應(yīng)對(duì)未來(lái)的攻擊。幸運(yùn)的是，許多人正在研究如何為現(xiàn)有系統(tǒng)部署應(yīng)對(duì)方案。從理論上將，這些對(duì)策會(huì)保護(hù)重要的基礎(chǔ)架構(gòu)，使其免受量子計(jì)算機(jī)的威脅。
與端到端加密在常用瀏覽器和信息軟件中得到全面應(yīng)用一樣，抗量子標(biāo)準(zhǔn)可以廣泛部署于公共領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)成型后，加密貨幣生態(tài)系統(tǒng)能夠相對(duì)輕易地集成最強(qiáng)防御措施，抵御外界的攻擊向量。
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