聯合電子遊戲場-長江2020年第3號洪水形成
量子區塊鏈:融合量子信息技術的區塊鏈能否抵禦量子霸權?量子區塊鏈:融合量子信息技術的區塊鏈能否抵禦量子霸權?張俊錛 袁勇錛 王曉錛 王飛躍【摘要】區塊鏈的廣泛應用使越來越多的學者聚焦到安全加密這一重大問題上。然而,隨著電子計算機技術的飛速發展,遠超傳統計算速度和數據處理容量的量子計算機已經逐步從理論走向實踐,它的極大算力將給區塊鏈的鏈內安全帶來巨大和根本性的挑戰。介紹了量子信息的兩大核心應用,分析了量子霸權對區塊鏈現行的共識方式和加密算法的破解方式。同時,針對目前區塊鏈的漏洞,提出量子區塊鏈以防止量子計算帶來的攻擊威脅,並闡述了量子通信技術的原理與應用方法,舉例說明了量子區塊鏈的安全性與可行性。最後,對目前量子計算存在的幾大技術挑戰進行了分析。 【關鍵詞】 區塊鏈;加密算法;量子霸權;量子信息技術;量子區塊鏈 引用格式張俊錛 袁勇錛 王曉錛 王飛躍.量子區塊鏈:融合量子信息技術的區塊鏈能否抵禦量子霸權?. 智能科學與技術學報[J]錛 2019錛 1(4):409-414 Quantum blockchain:can blockchain integrated with quantum information technology resist quantum supremacy? ZHANG Jun錛 YUAN Yong錛 WANG Xiao錛 WANG Fei-YueAbstract Quantum computers錛which substantially exceed traditional computing speed and data processing capacity錛are gradually moving from theory toward practice.The tremendous computing power of quantum computers will bring fundamental challenges to current information encryption mechanism.Two key applications of quantum information technology were introduced錛followed by comments on how quantum supremacy threatens the current blockchain consensus and encryption mechanisms.Meanwhile錛considering loopholes existing in the current blockchain technology錛a blockchain system integrating quantum technology was discussed aiming to prevent the threat of quantum supremacy. Keyword blockchain ;cryptographic algorithms ;quantum supremacy ;quantum information technology ;quantum blockchainCitation ZHANG Jun.Quantum blockchain:can blockchain integrated with quantum information technology resist quantum supremacy?. Chinese Journal of Intelligent Science and Technology[J]錛 2019錛 1(4):409-414 1 引言 1.1 區塊鏈 隨著比特幣等數字加密貨幣的普及,區塊鏈作為一種全新的去中心化架構與分布式計算範式逐漸興起,受到國內外各行業的廣泛關注與高度重視[1]。區塊鏈通過密碼學原理、分布式存儲、共識機制與智能合約四大核心技術為數據存儲提供了一種全新的可信任分布式解決方案。總體來說,區塊鏈通過塊鏈式結構來驗證和存儲數據,通過非對稱加密算法保障數據訪問與傳輸安全,通過各分布式節點的工作量證明(proof-of-work,POW)等共識算法保障數據安全更新,並通過廣義執行腳本操作和處理數據。區塊鏈作為一種普適性技術框架,已在數字金融、物聯網、智能制造等多個領域引發深刻變革[2]。自2008年中本聰發布《比特幣:一種點對點的電子現金系統》以來,區塊鏈已經發展了11年。2015年,中國區塊鏈應用研究中心首次在北京成立;2016年,我國發布《中國區塊鏈技術和應用發展白皮書(2016)》[3],將區塊鏈列為國家重點關注技術;2019年10月24日,中共中央政治局第十八次集體學習中,習近平總書記強調“把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口”,將同時具備開放、共享、安全、可信的區塊鏈技術列為未來發展的重點。這一系列事件體現出我國對區塊鏈技術的重視程度及區塊鏈技術本身蘊含的巨大潛力和廣闊前景。1.2 區塊鏈與信息加密技術 區塊鏈的核心是通過密碼學保障的鏈式分布式數據庫,因此可以說密碼學是區塊鏈安全的最根本保障。節點間通信用到的雙向加密算法通常可分為對稱加密算法和非對稱加密算法[4]。(1)對稱加密對稱加密方案也稱為對稱密鑰、秘密密鑰和單密鑰,它通過使用一對相同的密鑰對數據進行加解密,該方法的特點是計算工作量小、執行速度快,但安全隱患大,至今仍廣泛應用于數據加密和消息完整性檢查等方面。經典的對稱加密算法包括數據加密標準(data encryption standard,DES)、高級加密標準(advanced encryption standard,AES)等。DES算法使用56位密鑰對64位分組數據進行加密,其加密過程和解密過程使用相同的密鑰。DES是一種迭代算法,對明文中每個分組的加密過程都包含16 輪,且每輪的操作完全相同。DES通過迭代執行分組密碼的2種本源操作──混淆與擴散,達到數據加密的目的。混淆可以盡量模糊密鑰與密文之間的關系,實現混淆的常用操作就是替換;擴散是為了消除密文所反映的明文的統計結構,常用的操作為位置換。在進行DES加密時,每個分組數據都會進行 16 輪的加密,其中每一輪的密鑰 ki都由主密鑰k推導得來。隨著計算能力的不斷提升, 56 位的密鑰已無法保證機密數據的安全,故 DES被逐漸淘汰。AES是目前使用較為廣泛的加密算法之一,已在各大行業系統中得到大規模應用。到目前為止,針對 AES 最有效的破解方式是蠻力攻擊。AES 通過128位、192位、256位密鑰對128位分組數據進行加密。加密過程涉及字節替換、行位移、列混淆和輪密鑰加4種操作,由于每一步都是可逆的,對密文按照相反的順序操作即可恢復明文。密鑰長度的不同,AES加密的輪數也隨之不同,例如128位對應的輪數是10輪,而192位對應的輪數是12輪。相比DES來說,AES具有更高效的異或運算、更低耗的資源需求、更靈活的編程兼容[5]等優勢。到目前為止,在抵抗主流的暴力破解方面,AES幾乎是牢不可破的,如果以現階段市場主流的 CPU的計算能力來衡量,大概需要225年才能攻破AES加密。對稱加密的使用歷史至少已有4 000年,技術也已十分成熟,但對稱加密中密鑰分配通信模式問題是其固有的弱點,而非對稱加密模式則解決了該問題。(2)非對稱加密對稱密碼的目標通常是使輸入和輸出之間不存在緊湊的數學描述關系,非對稱算法與對稱算法完全不同。公開密鑰基礎設施(public key infrastructure,PKI)是一種網絡基礎服務設施,它充分利用公鑰密碼學的理論基礎,為密鑰和證書建立了一個安全的網絡環境,為各種網絡應用提供了全面的安全服務[6]。非對稱加密通過生成2個密鑰,即公/私鑰對來對數據進行加密/解密,當一個密鑰用作加密時,另一個密鑰就用作解密。私鑰是由被認證過的用戶獨自掌管的,該用戶發布或傳遞的信息會用私鑰加密,只有對應的公鑰才能對其進行解密,進而完成信息接收的身份認證;而公鑰是在網絡上公開的,公私鑰體制的密鑰管理主要針對公鑰進行。非對稱加密可以在不直接傳遞密鑰的情況下完成解密,這樣能夠確保信息的安全性,避免直接傳遞密鑰被破解造成的風險。目前。最廣泛使用的算法包括RSA(Rivest錛Shamir錛Adleman)算法[7]和橢圓曲線密碼學(elliptic curve cryptography,