量子计算机拥有巨大的计算能力，能够以远超传统计算机的速度解决复杂问题。一些专家估计，量子计算机可能在几分钟内破解当前的加密算法，而最快的传统计算机则需要数千年。因此，许多现有的数字安全基础设施，包括比特币等加密货币所依赖的加密机制，都可能面临风险。
本文将探讨量子计算机和经典计算机之间的差异，并分析量子计算对加密货币和数字基础设施带来的风险。
非对称加密与互联网安全
非对称加密，也称为“公钥加密”，是加密货币生态系统和大多数互联网基础设施的重要组成部分。这种加密方法依靠一对密钥来加密和解密信息：一个公钥用于加密，一个私钥用于解密。相比之下，对称加密使用单个密钥进行数据加密和解密。
公钥可以公开共享，而用它加密的信息只能通过相应的私钥解密，确保只有指定的接收者才能看到该信息。
非对称加密的主要优势在于，它允许在不安全的渠道上交换信息，而无需共享密钥。如果没有这种机制，互联网的基本信息安全将无法实现。例如，不受信任的各方无法安全地加密信息，这使得基于这种基础的网上银行概念几乎不可能实现。
非对称加密的安全性部分依赖于一个前提：生成密钥对的算法使得从公钥推导出私钥变得非常困难，而从私钥推导出公钥则相对简单。这在数学上被称为“陷门函数”，其中正向计算很容易，但反向计算却很难。
目前，大多数现代密钥生成算法都是基于已知的数学陷门函数。破解这些陷门函数通常需要大量的计算资源和时间。即使是当今最强大的经典计算机也需要相当长的时间来完成这些计算。
然而，如果量子计算机成功研发，情况可能会发生巨大变化。要理解量子计算机为何如此强大，我们首先需要了解传统计算机的工作原理。
经典计算机
我们熟悉的计算机被称为“经典计算机”。经典计算机的运算是按顺序进行的，这意味着下一个计算任务只有在当前任务完成后才能开始。这是因为经典计算机内存必须遵守物理定律，其中状态只能是 0 或 1（即关闭或打开）。
经典计算机通过各种硬件和软件手段，可以将复杂的计算任务分解，以提高效率，但其运行的本质仍然是循序渐进的。
例如，当传统计算机尝试破解密码时，它必须逐一尝试所有可能的组合。假设有 16 个可能的密钥；计算机的行为就像有人用 16 把钥匙打开锁，每次尝试一把钥匙。如果第一把钥匙不起作用，计算机将继续尝试下一把，直到找到正确的钥匙。
随着密码长度的增加，组合数也会呈指数增长。例如，如果密钥长度增加到 5 个字符，可能的组合数将达到 32 种；如果增加到 6 个字符，则组合数将达到 64 种；如果达到 256 位，则组合数将接近可观测宇宙中的原子数。
然而经典计算机的速度只能线性增长，即使计算速度翻倍，也只能使给定时间内的尝试次数翻倍，这种线性增长无法跟上组合数的指数增长。
据估计，传统计算机系统需要数千年才能破解 55 位密钥。作为参考，比特币建议至少使用 128 位助记词，许多钱包甚至需要 256 位。
因此，当前的经典计算机不会对加密货币和互联网基础设施使用的非对称加密构成威胁。
量子计算机
量子计算是一项发展迅速、备受关注的计算机技术。随着这项技术的成熟，破解上述加密问题将变得轻而易举。量子计算机基于量子力学的基本原理，专注于亚原子粒子的行为。
传统计算机以“比特”来表示信息，比特的状态只能是 0 或 1。而量子计算机则以“量子比特”作为信息的基本单位。与比特类似，量子比特也可以是 0 或 1，但量子力学的特性允许量子比特同时处于两种状态的叠加态。
因此，许多大学和私营企业积极投入时间和资源进行量子计算研究，旨在解决该领域复杂的理论和实际工程问题，推动技术进步。
然而，量子计算机也带来“副作用”：其运算能力可以轻易破解非对称加密的基础算法，对所有依赖此类加密的系统构成根本威胁。
回到之前破解 4 位密钥的例子，理论上，4 量子比特量子计算机可以同时尝试所有 16 种组合，在一次操作中完成解密。在这种情况下，找到正确密钥的概率是 100%。
后量子密码学
量子计算技术对现代数字基础设施的加密防御提出了严峻的挑战，包括加密货币在内的所有系统都存在漏洞。
全球个人、政府、跨国企业的安全、运营和通信都将受到影响，各研发机构和专家正在积极研究和开发解决方案，为抵御量子计算机攻击而设计的密码算法被称为“后量子密码算法”。
从根本上讲，通过增加密钥长度，我们可以有效降低量子计算机使用对称加密技术破解密钥的风险。虽然非对称加密已逐渐取代对称加密，用于在公共渠道上安全地共享密钥，但量子计算的进步可能会重新引起人们对后者的关注。
量子密码学可以解决公共信道上密钥共享的安全问题。反窃听领域已经取得了一些进展。利用量子计算原理，我们可以检测公共信道上的窃听者，从而确定共享的对称密钥是否受到第三方的干扰或篡改。
此外，研究人员还在探索其他对抗量子攻击的方法，包括使用哈希函数生成大规模消息和格密码术。这些研究的目的是找出量子计算机难以破解的加密类型。
量子计算机和比特币挖矿
比特币挖矿也依赖于加密机制。矿工们竞相解决加密难题，以获得区块奖励。如果矿工使用量子计算机，他们可能会主宰整个网络，破坏其去中心化性质，并使其容易受到 51% 攻击。
不过，一些专家认为，这种威胁并非迫在眉睫。专用集成电路（ASIC）至少在可预见的未来可以在一定程度上减轻此类攻击的影响。此外，如果多个矿工同时使用量子计算机，攻击风险将大大降低。
结论
随着量子计算机的不断进步，非对称加密面临重大挑战似乎只是时间问题，不过也不必过度担心，因为该领域还有许多理论和工程难题尚未解决。
信息安全面临巨大威胁，需要采取主动措施应对未来的潜在攻击。幸运的是，许多专家正在研究如何为现有系统实施对策。从理论上讲，这些策略将有助于保护关键基础设施免受量子计算机带来的威胁。
正如端到端加密已在流行的浏览器和消息传递应用程序中得到广泛采用一样，后量子标准也可以在公共领域得到广泛部署。一旦这些标准成熟，加密货币生态系统将能够相对轻松地整合针对外部攻击的强大防御措施。
风险警告
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