VIP 專屬文章 曲博專欄：區塊鏈在量子計算面前真的不值一提？比特幣會因此崩盤嗎？

上周全球量子概念股暴漲，加密產業更是話題不斷，先是華為公司創辦人針對資訊安全問題表示：現在說區塊鏈多麼偉大，但在量子計算面前就不值一提了[1]！甚至索拉納幣（Solana）的創辦人在研討會上警告：比特幣快被破解了，2030年前沒升級抗量子就會崩盤[2]。到底什麼是量子電腦？量子計算如何破解區塊鏈？比特幣會因此崩盤嗎？

比特幣的使用者安裝手機應用程式「比特幣電子錢包」，由電子錢包產生私有密碼稱為「私有金鑰」與公開密碼稱為「公開金鑰」，使用者必須秘密地保存自己的私有金鑰，並且在網路上發佈公開金鑰，因此礦工擁有使用者的公開金鑰，如圖一所示。

假設Alice支付Bob金額10枚比特幣（BTC）購買一顆蘋果，則她的比特幣電子錢包會使用Alice的「私有金鑰」將訊息加密再傳送給節點A的礦工，礦工再使用Alice的「公開金鑰」解密完成驗證，這個過程稱為「數位簽章（Digital signature）」，如果真的可以解密代表這個訊息確實是由Alice發送出來的，而且Alice不可否認，因為只有Alice的「公開金鑰」能夠解開Alice的「私有金鑰」加密的訊息。

事實上礦工只是使用Alice的公開金鑰去「驗證」這個交易是真的，卻不知道這個公開金鑰的主人叫Alice，因為Alice的電子錢包在產生私有金鑰與公開金鑰的時候並沒有做身份驗證，意思是金鑰與使用者之間沒有關聯，因此屬於「可驗證的匿名制」，匿名制可以保護使用者的隱私，而這正是加密貨幣可以用來洗錢的原因。

在這個例子裡，Alice的「私有金鑰」，就好像我們去銀行領錢匯款時使用的「私章」一樣，因此私有金鑰必須秘密保存不能洩漏，駭客如果偷走Alice的私有金鑰，就可以冒充Alice用「私有金鑰」將訊息加密，再傳送給礦工用Alice的「公開金鑰」解密完成驗證，這個時候比特幣就被偷走了！

要使公開金鑰驗證變成實名制其實很簡單，只需要一個具有公信力的單位進行身份驗證，例如：我們申請自然人憑證就是由戶政事務所確認我們的身份，自然人憑證裡面其實就是記錄了一組「私有金鑰」與「公開金鑰」，而這組密碼對應到哪一個人是記錄在戶政事務所的電腦裡，如圖二所示。

當Alice要在網路銀行開戶時，用家裡的電腦上網連結到網路銀行，並且以自己的「私有金鑰」加密訊息後傳送到網路銀行，網路銀行則以Alice的「公開金鑰」解密完成驗證，同時連線到戶政事務所就能確定使用者的身份是Alice，意思是金鑰與使用者之間有關聯，因此屬於「可驗證的實名制」。 （相關報導： 幣圈史上最大爆倉事件！「巨鯨」神準提前布局49億空單　川普1句話就崩盤 ｜ 更多文章 ）

並不是只有網路銀行使用這種方法驗證使用者的身份，所有政府單位的網站都可以使用「自然人憑證」或「工商憑證」來驗證網路上的使用者與企業身份，公開金鑰加密目前主要是使用「橢圓曲線加密（ECC：Elliptic Curve Cryptography）」演算法，這種方法是利用數學計算「橢圓曲線離散對數」很困難來達成的。

區塊鏈是經由「區塊（Block）」與「鏈結（Chain）」兩種技術確保交易記錄無法竄改，因此把這種技術稱為「區塊鏈（Blockchain）」，而這兩種技術必須使用「雜湊演算法（Hash algorithm）」進行所謂的「採礦運算」，很多人以為這是什麼偉大的創新發明，其實它不過是個比大小的數學運算稱為「條件雜湊（Conditional hash）」，計算出符合大小的「哈稀值（Hash）」，它簡單到連小朋友都會，因此我戲稱它是一種唬人的雕蟲小技。

要特別留意，採礦的目的是為了「確保交易記錄無法竄改」，而不是「分配礦工獎勵金」，礦工經由電腦不停反覆進行「採礦運算」來確保交易記錄無法竄改，這種方法就是所謂的「工作量證明（PoW：Proof of Work）」。

而採礦必須不停重複這個比大小的數學運算，而且電腦愈多效果愈好，結局是全球各地產生許多礦場，用幾萬台電腦全速運算，浪費大量電力，主要只是為了「確保交易記錄無法竄改」，雖然區塊鏈採礦浪費大量電力，但是確實做到「真去中心化」。

進行採礦的人稱為「礦工（Miner）」，礦工的電腦必須不停的進行採礦運算因此必須浪費大量電力，為了獎勵礦工，只要運算條件成立的礦工就可以建立一個比特幣的區塊（比特幣的存摺），除了可以記錄別人的比特幣交易，還可以無中生有自己給自己記錄一筆「礦工獎勵金」，此外礦工還會從使用者那裡獲得比特幣交易的手續費。

某一個物理量如果存在最小不可分割的基本單位，則這個物理量是不連續的（量子化的），這個基本單位稱為「量子（Quantum）」，量子不是粒子本身，而是粒子的狀態或特性。理論上使用61種「基本粒子」都可以產生量子，由於大部分的基本粒子難以控制，因此目前最常用來產生量子的基本粒子包括：電子的自旋、光子的偏振等。

➩量子疊加（Superposition）：是指粒子本身的狀態或特性，根據薛丁格方程式的線性關係，一個量子系統的量子疊加可以是幾種不同「本徵態（Eigen state）」與「本徵值（Eigen value）」的線性組合。也就是大家常聽到「又活又死的貓」，如果應用在量子計算，就是量子位元（qubit）處於「又0又1的狀態」。

➩量子糾纏（Entanglement）：是指粒子與粒子之間的關聯，兩個以上的粒子之間互相關聯的現象，即使相距很遠仍然互相影響，一個粒子的狀態改變會影響另外一個粒子的狀態，也就是大家常聽到「愛因斯坦稱之鬼魅般的超距作用」。 （相關報導： 幣圈史上最大爆倉事件！「巨鯨」神準提前布局49億空單　川普1句話就崩盤 ｜ 更多文章 ）

利用粒子的「量子疊加（Superposition）」與「量子糾纏（Entanglement）」為基礎，進行資訊處理的科學稱為「量子計算（Quantum computing）」，許多人誤以為量子電腦比傳統電腦快很多所以未來會取代所有傳統電腦，實際上量子電腦並不是一種「運算速度」很快的電腦，而是針對「特定運算」速度很快的電腦，如果求解的問題不合適，那使用量子電腦也不會比較快，因此量子電腦只能輔助而不會完全取代傳統電腦。

量子電腦使用「量子疊加」與「量子糾纏」來進行計算時必須配合適當的「量子演算法」，目前已經提出來的量子演算法不多，其中最有名的包括：

➩秀爾演算法（Shor algorithm）：能夠破解「橢圓曲線離散對數」，前面提到加密貨幣的使用者必須秘密地保存自己的「私有金鑰」，並且在網路上發佈「公開金鑰」，這個方法是利用「傳統電腦」計算橢圓曲線離散對數非常困難，因此我們無法由使用者的公開金鑰計算出私有金鑰，才能確保Alice的私有金鑰不會洩漏，但是使用「量子電腦執行秀爾演算法」就可以在極短的時間內由使用者的公開金鑰計算出私有金鑰，因此Alice的私有金鑰就被破解洩漏出去了！

➩葛洛夫演算法（Grover algorithm）：能夠破解「隨機的資料庫搜尋」，前面提到比特幣是進行「採礦運算」來確保交易記錄無法竄改也就是「工作量證明（PoW）」，這個方法是利用「傳統電腦」進行隨機的資料庫搜尋非常費時，再配合比大小的數學運算，因此我們無法竄改比特幣的交易記錄，才能確保比特幣的安全，但是使用「量子電腦執行葛洛夫演算法」就可以在極短的時間內計算出符合大小的「哈稀值」，因此比特幣的交易記錄就很容易竄改了！

量子電腦的實現方法有量子退火（Quantum anneal）、超導體（Superconductor）、離子阱（Ion trap）、量子點（Quantum dot）、鑽石缺陷（Diamond defeat）、拓撲導體（Topoconductor）等，但是量子計算的實現遠比理論要困難許多。

由於量子狀態極不穩定，容易受到室溫熱能、電磁輻射的影響，因此目前較成熟的量子電腦必須在極低溫-273°C以下運作，環境背景雜訊會嚴重干擾量子計算與訊號量測，目前常用的解決方法是使用更多的「實體量子位元（Physical qubit）」經由演算法除錯還原出正確答案，才能進行邏輯運算稱為「邏輯量子位元（Logical qubit）」，而除錯用的量子位元隨著計算用的量子位元增加而快速增加，因此量子電腦在可靠度、再現性、耐久性還需要很長的時間來突破。

由於量子計算會威脅到公開金鑰驗證機制，因此科學家早就開始預做準備，一種方法是使用「量子金鑰分發（QKD：Quantum Key Distribution）」，理論上不可破解最安全，但是這種量子通訊技術也不成熟因此暫不可行；另一種方法是使用「後量子密碼學（PQC：Post Quantum Cryptography）」，也就是改變目前使用的加密演算法。 （相關報導： 幣圈史上最大爆倉事件！「巨鯨」神準提前布局49億空單　川普1句話就崩盤 ｜ 更多文章 ）

美國國家標準暨技術研究院（NIST）從2016年開始規劃可以抵抗量子電腦攻擊的加密演算法並且舉辦公開競賽，先後選出針對非對稱加密的CRYSTALS-Kyber演算法，以及針對數位簽章的CRYSTALS-Dilithium、FALCON、SPHINCS+、漢明準循環（HQC：Hamming Quasi-Cyclic）演算法等[3]。

【備註】

CRYSTALS的全名是Cryptographic Suite for Algebraic Lattices，可以翻譯成「代數晶格密碼套件」，凱伯晶體（Kyber crystals）是科幻電影星際大戰（Star War）裡的光劍（Lightsaber）和死星（Death Star）雷射的能量來源；雙鋰晶體（Dilithium crystals）是科幻電影星際爭霸戰（Star Trek）裡用來控制驅動曲速引擎（Warp drive）的物質，都是虛構的東西，可見發明這些加密演算法的科學家們同時也是科幻電影迷呀！

華為公司創辦人表示：現在說區塊鏈多麼偉大，但在量子計算面前就不值一提。事實上區塊鏈確實有創新但是「沒有」多麼偉大，區塊鏈最大的特色就是「去中心化」，就是因為這個特色使得比特幣的區塊鏈交易速度緩慢，耗電量卻是傳統金融的一萬倍[4]，也是因為這個特色全世界的礦工與參與者可以一起投票修改決定所有規則，因此所有規則都可以修改，所以在量子計算面前也「不會」不值一提。

根據科學家的評估，使用量子電腦執行秀爾演算法破解「橢圓曲線加密（ECC）」至少要到2035年才能達成，而且到那個時候也不是只有加密貨幣被破解，現在的自然人憑證與工商憑證一樣被破解，所以這不只是影響到加密貨幣而已，而是目前所有的網路交易都無法進行，所以問題非常嚴重。

針對這個問題只要把交易識別確認的演算法「橢圓曲線加密（ECC）」改成可以扺抗量子電腦和秀爾演算法的CRYSTALS-Dilithium或漢明準循環（HQC）演算法就可以解決，只是去中心化的比特幣修改交易識別確認的演算法需要全球協調幾萬個礦工同步、幾千萬個使用者更新、幾百億美金資產遷移，只要發生一次錯誤就可能分裂區塊鏈生態，所以是個龐大費時的過程。

因此索拉納幣（Solana）的創辦人說比特幣2030年前沒升級抗量子就會崩盤，而從2030年開始升級「去中心化」的比特幣演算法到完成差不多就2035年了！相比之下要升級「中心化」的傳統金融容易多了！所以你還覺得去中心化比較好嗎？

至於使用量子電腦執行葛洛夫演算法破解「工作量證明（PoW）」的門檻更高，不論是用量子電腦測試或傳統電腦模擬，到目前為止還沒有科學家能證明可行性，所以要破解更是困難，可以說遙遙無期，而且解決的方法現在已經有了，就是把演算法從要採礦、速度慢、浪費電、安全性高的「工作量證明（PoW）」，改成不採礦、速度快、節省電、安全性低的「持有量證明（PoS）」就可以了[5]！

因為持有量證明（PoS）這種演算法會讓礦工持有的加密貨幣愈來愈集中，根本沒有去中心化，因此是屬於「假去中心化（Pseudo decentralized）」的公有鏈[6]，但是確實解決了採礦浪費電的問題，因此目前大部分的公有鏈都已經改用這種演算法，如果未來連比特幣也改了，那世界上就沒有什麼公有鏈是「真去中心化」的了！

所以比特幣會因此崩盤嗎？答案是「不會」，管它是「真去中心化」還是「假去中心化」，只要大部分的投資人弄不懂這些複雜的專有名詞，比特幣就可以繼續炒作下去，所以比特幣不可能因為量子電腦而崩盤的啦！別忘了前輩的名言：認為區塊鏈是創新的人是不懂科技，覺得比特幣會失敗的人是不懂人性呀！

【資料來源】

[1]任正非：區塊鏈安全性在量子計算面前不值一提​

[2]Solana創辦人警告比特幣快破解了：2030年前沒升級抗量子就會崩盤​

[3]Post-Quantum Cryptography​

[4]想靠比特幣致富！？聰明人如何唬弄我們？帶你破解加密貨幣謬論​

[5]穩定幣會增加貨幣供給量，會造成通貨膨脹嗎？​

[6]貨幣銀行學要重寫了？穩定幣會擴大貨幣供給？政府 VS 加密產業誰能控制金錢？這一場金融革命沒人能置身事外！​ （相關報導： 幣圈史上最大爆倉事件！「巨鯨」神準提前布局49億空單　川普1句話就崩盤 ｜ 更多文章 ）

＊作者為曲博科技教室YouTube頻道創辦人