量子計算機擁有巨大的計算能力，能夠以遠超傳統計算機的速度解決複雜問題。一些專家估計，量子計算機可能在幾分鐘內破解當前的加密算法，而最快的傳統計算機則需要數千年。因此，許多現有的數字安全基礎設施，包括比特幣等加密貨幣所依賴的加密機制，都可能面臨風險。
本文將探討量子計算機和經典計算機之間的差異，並分析量子計算對加密貨幣和數字基礎設施帶來的風險。
非對稱加密與互聯網安全
非對稱加密，也稱為“公鑰加密”，是加密貨幣生態系統和大多數互聯網基礎設施的重要組成部分。這種加密方法依靠一對密鑰來加密和解密信息：一個公鑰用於加密，一個私鑰用於解密。相比之下，對稱加密使用單個密鑰進行數據加密和解密。
公鑰可以公開共享，而用它加密的信息只能通過相應的私鑰解密，確保只有指定的接收者才能看到該信息。
非對稱加密的主要優勢在於，它允許在不安全的渠道上交換信息，而無需共享密鑰。如果沒有這種機制，互聯網的基本信息安全將無法實現。例如，不受信任的各方無法安全地加密信息，這使得基於這種基礎的網上銀行概念幾乎不可能實現。
非對稱加密的安全性部分依賴於一個前提：生成密鑰對的算法使得從公鑰推導出私鑰變得非常困難，而從私鑰推導出公鑰則相對簡單。這在數學上被稱為“陷門函數”，其中正向計算很容易，但反向計算卻很難。
目前，大多數現代密鑰生成算法都是基於已知的數學陷門函數。破解這些陷門函數通常需要大量的計算資源和時間。即使是當今最強大的經典計算機也需要相當長的時間來完成這些計算。
然而，如果量子計算機成功研發，情況可能會發生巨大變化。要理解量子計算機為何如此強大，我們首先需要了解傳統計算機的工作原理。
經典計算機
我們熟悉的計算機被稱為“經典計算機”。經典計算機的運算是按順序進行的，這意味著下一個計算任務只有在當前任務完成後才能開始。這是因為經典計算機內存必須遵守物理定律，其中狀態只能是 0 或 1（即關閉或打開）。
經典計算機通過各種硬件和軟件手段，可以將複雜的計算任務分解，以提高效率，但其運行的本質仍然是循序漸進的。
例如，當傳統計算機嘗試破解密碼時，它必須逐一嘗試所有可能的組合。假設有 16 個可能的密鑰；計算機的行為就像有人用 16 把鑰匙打開鎖，每次嘗試一把鑰匙。如果第一把鑰匙不起作用，計算機將繼續嘗試下一把，直到找到正確的鑰匙。
隨著密碼長度的增加，組合數也會呈指數增長。例如，如果密鑰長度增加到 5 個字符，可能的組合數將達到 32 種；如果增加到 6 個字符，則組合數將達到 64 種；如果達到 256 位，則組合數將接近可觀測宇宙中的原子數。
然而經典計算機的速度只能線性增長，即使計算速度翻倍，也只能使給定時間內的嘗試次數翻倍，這種線性增長無法跟上組合數的指數增長。
據估計，傳統計算機系統需要數千年才能破解 55 位密鑰。作為參考，比特幣建議至少使用 128 位助記詞，許多錢包甚至需要 256 位。
因此，當前的經典計算機不會對加密貨幣和互聯網基礎設施使用的非對稱加密構成威脅。
量子計算機
量子計算是一項發展迅速、備受關注的計算機技術。隨著這項技術的成熟，破解上述加密問題將變得輕而易舉。量子計算機基於量子力學的基本原理，專注於亞原子粒子的行為。
傳統計算機以“比特”來表示信息，比特的狀態只能是 0 或 1。而量子計算機則以“量子比特”作為信息的基本單位。與比特類似，量子比特也可以是 0 或 1，但量子力學的特性允許量子比特同時處於兩種狀態的疊加態。
因此，許多大學和私營企業積極投入時間和資源進行量子計算研究，旨在解決該領域複雜的理論和實際工程問題，推動技術進步。
然而，量子計算機也帶來“副作用”：其運算能力可以輕易破解非對稱加密的基礎算法，對所有依賴此類加密的系統構成根本威脅。
回到之前破解 4 位密鑰的例子，理論上，4 量子比特量子計算機可以同時嘗試所有 16 種組合，在一次操作中完成解密。在這種情況下，找到正確密鑰的概率是 100%。
後量子密碼學
量子計算技術對現代數字基礎設施的加密防禦提出了嚴峻的挑戰，包括加密貨幣在內的所有系統都存在漏洞。
全球個人、政府、跨國企業的安全、運營和通信都將受到影響，各研發機構和專家正在積極研究和開發解決方案，為抵禦量子計算機攻擊而設計的密碼算法被稱為“後量子密碼算法”。
從根本上講，通過增加密鑰長度，我們可以有效降低量子計算機使用對稱加密技術破解密鑰的風險。雖然非對稱加密已逐漸取代對稱加密，用於在公共渠道上安全地共享密鑰，但量子計算的進步可能會重新引起人們對後者的關注。
量子密碼學可以解決公共信道上密鑰共享的安全問題。反竊聽領域已經取得了一些進展。利用量子計算原理，我們可以檢測公共信道上的竊聽者，從而確定共享的對稱密鑰是否受到第三方的干擾或篡改。
此外，研究人員還在探索其他對抗量子攻擊的方法，包括使用哈希函數生成大規模消息和格密碼術。這些研究的目的是找出量子計算機難以破解的加密類型。
量子計算機和比特幣挖礦
比特幣挖礦也依賴於加密機制。礦工們競相解決加密難題，以獲得區塊獎勵。如果礦工使用量子計算機，他們可能會主宰整個網絡，破壞其去中心化性質，並使其容易受到 51% 攻擊。
不過，一些專家認為，這種威脅並非迫在眉睫。專用集成電路（ASIC）至少在可預見的未來可以在一定程度上減輕此類攻擊的影響。此外，如果多個礦工同時使用量子計算機，攻擊風險將大大降低。
結論
隨著量子計算機的不斷進步，非對稱加密面臨重大挑戰似乎只是時間問題，不過也不必過度擔心，因為該領域還有許多理論和工程難題尚未解決。
信息安全面臨巨大威脅，需要採取主動措施應對未來的潛在攻擊。幸運的是，許多專家正在研究如何為現有系統實施對策。從理論上講，這些策略將有助於保護關鍵基礎設施免受量子計算機帶來的威脅。
正如端到端加密已在流行的瀏覽器和消息傳遞應用程序中得到廣泛採用一樣，後量子標準也可以在公共領域得到廣泛部署。一旦這些標準成熟，加密貨幣生態系統將能夠相對輕鬆地整合針對外部攻擊的強大防禦措施。
風險警告
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