区块链与量子计算

量子计算和量子力学究竟是什么？

“量子物理学是描述能量和物质在原子内微观层面运动的基本物理学理论。”

在过去的几个世纪里，人类在理解宇宙运行机制方面取得了巨大进步，从宏观到原子层面都已深入。然而，在量子层面，当粒子比原子更小时，物质的表现会很奇特。

量子计算通过应用量子力学的原理来操纵数据。如果没有量子计算机，我们无法可靠地研究亚原子（量子）现象。

由于现实世界中的一切——从空间到自然界再到人体——都依赖于量子力学，因此对量子过程的无知代表了我们对世界现有理解中的一个重大空白。

量子计算与经典计算有何不同？

经典计算机和量子计算机之间存在显著差异。 二进制计算机使用位，这些位要么处于两个不同状态之一（0 或）。

此外，量子粒子和量子比特不仅可以同时存在于多种状态，而且还可以同时存在。双重性极大地增加了系统可以处理的数据量。量子计算设备比现有方法能够更快地分析大量数据。物理学专家 Michio Kaku 博士用一只老鼠穿越迷宫寻找另一端的奶酪的例子，说明了量子计算机和经典计算机操作之间的关键区别。

正如你所知，迷宫中的老鼠有多种选择，但只有一种选择能找到奶酪。经典计算系统会单独追踪每种可能性，直到找到通往奶酪的路径。

量子计算机在映射所有替代路径的同时，能够快速选择正确的路径。英国《金融时报》的一篇动态文章也巧妙地探讨了经典计算机和量子计算机之间的区别。

量子计算中的基本概念

学习量子力学并不容易。大多数人无法理解这些概念背后的数学原理是可以理解的。要理解基本原理，你不必知道一切是如何运作的。

1. 量子比特（Qubits）： 与经典比特不同，量子比特能够处于 0、1 或两者的量子叠加态。这种类型通过一次处理海量数据来极大地提高了量子机器的计算能力。
2. 叠加（Superposition）： 与只能是 0 或 1 的经典比特不同，根据叠加的概念，量子比特可以同时存在于多个状态。 量子计算机由于叠加的概念可以同时执行多个计算，这可能为特定情况带来显著的效率提升。
3. 纠缠（Entanglement）： 量子连接的发生是量子比特的相互连接，因此，无论它们相距多远，一个量子比特的状态都可以依赖于另一个量子比特的状态。这种关系对于量子技术的能力至关重要，并实现了快速的 数据分析。量子机器使用多种算法来利用叠加和纠缠。
4. 应用： 通过解决经典计算机无法处理的复杂问题，量子技术有机会彻底改变多个行业。这包括金融建模、药物开发、供应链优化、加密以及解决科学领域的棘手问题。

量子信息的优势与风险

量子技术比普通计算机更快地解决复杂问题的能力是其一个显着的优势。

量子信息的优势与风险如下：

• 例如，在某些医学研究领域，使用旧式计算机已经走到了尽头。通过量子计算，科学家们将能够获得关于癌症研究的新见解，这是传统计算无法实现的。
• 就气候变化的影响而言，它可以加速清洁能源的发展，改善天气预报系统，并帮助减少交通和汽车行业的排放。
• 然而，量子计算也带来了重大风险，尤其是在网络安全方面。专家认为，量子计算机可以破解任何现有的加密方法，使得当今大部分加密无效，并对包括医疗保健、银行、政府和国防在内的多个行业的 डेटा 安全构成严重威胁。

区块链技术与量子计算

区块链 的安全性可能受到量子计算的威胁，因为它依赖于加密技术。下面概述了量子技术可能如何影响区块链：

1. 加密技术的脆弱性

现有的区块链技术的安全性主要依赖于加密技术，而这些技术对于传统机器来说很难通过分析来破解。

量子机器能够比传统机器更快地执行复杂计算，因此可能会破解这些加密技术。

2. 对其他加密货币和比特币的影响

像比特币这样的工作量证明（PoW）加密货币尤其容易受到量子计算的影响。量子计算可能会颠覆加密货币挖矿的经济学，因为它能更快地解决 PoW 问题。

用户的关键安全也处于危险之中。理论上，量子机器可以利用用户的公钥来获取其私钥。

加密和抗量子系统的区块链发展

鉴于量子计算机带来的威胁，区块链行业越来越有兴趣开发后量子或抗量子加密技术，这些技术能够抵御量子攻击。这包括改进的加密方法、基础协议以及网络架构的修改。

美国国家标准与技术研究院（NIST）旨在标准化后量子加密，以指导量子抗性加密技术在区块链技术和其他领域的使用。其他倡议也在计划中。

• 量子抗性账本基金会
  量子抗性账本协会旨在创建和推广抗量子规范。量子抗性账本采用了 XMSS，这是 NIST 认可的自主哈希基认证方案之一。
• 量子区块链联盟
  量子区块链联盟致力于创建和推广对量子计算具有弹性的协议。
  蒙特雷理工大学、LACChain、国际金融公司（IDB Lab）、国际开发银行和量子计算（CQC）正在合作检测和消除基于区块链的系统中的量子威胁。
• IOTA
  在某些基于哈希的认证应用程序中广泛使用。
  HyperCash (HC) 是一种无视量子物理定律的数字货币。
  尽管量子计算对区块链安全构成了潜在威胁，尤其是在加密算法方面，但区块链行业已经意识到了这些问题并正在共同努力寻找解决方案。通过开发抗量子技术，将确保区块链网络在量子计算时代的长期安全性和可持续性。

展望未来

量子计算的进步已经达到了一个阶段，问题不再是“是否”，而是“何时”这项技术将走出实验室进入公众视野。然而，这需要多长时间？过去几年，研究人员一直声称实用的量子计算机还需要几十年。

许多因素威胁着当前量子计算设备的敏感性。它们需要其工作温度尽可能接近零度。一次普通的停电就可能导致量子计算机崩溃。地球磁场和附近的放射性进一步增加了量子计算的错误率。

然而，技术进步是流动的，并且似乎发生得更快，正如 人工智能所展示的那样。IBM 和加州大学伯克利分校的研究人员在 2023 年 6 月的一篇出版物中表明，即使是当今最不完美的量子机器，其用途也可能超过传统计算机。除非在电影中出现，否则你的 加密货币在可预见的未来可能都是安全的，不会受到量子攻击。