量子计算会让区块链和数字货币失去意义？ 会有量子货币吗？

近年来，量子计算发展迅速。 不久前，谷歌宣布实现量子霸权，我国“天河二号”超级计算机计算出量子霸权标准。 所谓量子霸权，就是如果能够证明量子计算机在某个问题上的计算能力远超目前性能最好的超级计算机，就可以实现量子计算机对传统计算机的霸权。 . 量子计算的发展对现有的密码体制提出了极大的挑战。 理论上，量子算法可以破译Diffie-Hellman算法、RSA算法、椭圆曲线算法等非对称密码算法。

由于密码学是区块链的关键要素，是实现数字货币安全可信的技术基础，人们不免担心。

量子计算的发展是否会对区块链和数字货币的安全构成威胁？ 甚至有人断言区块链在量子计算机面前不值一提。 但就目前而言，现在下结论还为时过早。

一个是

量子计算算法（如 Grover 算法和 Shor 算法）对非对称密码系统的威胁较大，但对对称密码和哈希算法的影响相对较小。

二是

目前，没有证据证明或反驳量子计算机可以解决NP（Nondeterministic Polynomial，非确定性多项式）完备问题，也不能轻易断定在量子计算环境下，基于计算复杂度的密码学没有前途.

三是

密码学一直是在编码与解密、攻击与防御、矛与盾的对抗中发展起来的。 不能说有了量子计算，密码学就不行了。 量子计算也有其缺点，构建抗量子密码系统也是可能的。 ，如多元公钥密码体制、基于哈希函数的数字签名方案、基于纠错码的密码体制和基于格的密码体制等。

因此，短期内量子计算是否会让区块链和数字货币失去发展意义还不好说。 但有一点是可以肯定的，那就是随着科技的发展，货币形态和货币技术必然会发生相应的变化。

在量子时代，基于区块链技术的加密货币可能会继续存在，但可能会使用更先进的反量子密码技术。 另一种可能性是，它会被一种基于量子技术的新型货币所取代，这就是目前学术界一些人正在探索的量子货币。

量子货币的概念

量子货币本质上是一种基于密码学的数字货币。 其优于经典数字货币的核心是利用量子叠加和量子计算实现的量子防伪技术。

该技术综合运用物理学、计算机科学和密码学等多学科前沿知识，最终可以在不引入记账机制的情况下解决货币双花问题。 一种理想的量子货币能够同时实现数字货币易识别、不易伪造、不可复制、使用方便等特点，同时兼具传统货币（纸币）和经典数字货币的优点，避免其固有的不可逾越性缺点。

1969年，美国哥伦比亚大学研究生Stephen Wiesner首先提出了量子货币的概念。 他设想，货币应该配备存储光子的量子装置，将量子态作为货币的防伪标记。 但是，只有发行货币的中央银行才能验证货币的真伪。 . 1982 年，贝内特等人。 试图建立第一个公钥量子货币。 他们的计划只允许一次使用一种货币，称之为“地铁通票”。 后来人们发现他们的设计存在两个不安全因素：一个是基于未知传输的不安全协议； 二是可以用秀尔算法破解。 2003 年，Tokunaga 等人。 改进了韦斯纳的方案，不再要求中央银行跟踪每一枚发行的货币，而是使用一种特殊的方法来确保货币被修改后仍然有效，这使得货币持有者可以在银行检查货币之前检查货币。 修改实现货币交易，但缺点是一旦银行发现假钞，必须立即发布信息，清除假钞之前的所有交易信息，因此该方案不易实施。 2009年Aaronson提出复杂论的不可克隆定理，假设存在一种机制可以验证给定状态是否等于有效的量子货币状态，而造假者要想伪造货币就必须具备这种验证机制. 2010年，Mosca和Stebila指出，即使造币者拥有量子货币验证机制，他仍然无法制造出比初始状态更多的量子货币。 授权方运行模糊验证方法，在得到最终结果之前无法获得任何有用的信息。 在验证过程中，他必须与银行进行沟通。 本方案为量子货币私钥方案。 2012 年，Lutomirski 等人。 利用扭结不变性的方法提出了一个真正的量子货币公钥方案。 然而，到目前为止，还没有人能够证明这一方案的安全性。 2015 年，Subhayan 等人。 提出了一个量子校验协议。 在这个协议中，受信任银行的任何合法客户都持有“量子支票簿”，可以签发支票并与银行共享一个经典通道。 其附属公司完成货币验证。

理解量子货币的逻辑起点：造假与双花

货币发展史就是防伪技术史，也是生产者与造假者不断斗争的历史。 无论是有壳的、金属的、纸质的、塑料的还是电子形式的货币，防伪都是货币生产最重要的目标。 尤其是信用货币时代量子计算机会影响比特币吗，货币本身的价值属性逐渐弱化，货币防伪显得尤为重要。 可以说没有防伪就没有货币。 但是，历史上从来没有一种货币能够彻底解决被伪造的问题。 伪造货币的历史几乎与货币发展的历史一样悠久。 迄今为止，伪造人民币、美元、欧元纸币的案件仍时有发生。

传统货币造假屡禁不止的根本原因之一是经典物理学的易伪造特性。 根据经典物理学的基本原理，所有的物理状态都可以精确测量。 只要能够根据测量结果对材料进行重组，并具有足够的精度来应对检查，就可以达到伪造货币的目的。 传统货币生产机构开发的各种防伪技术，如金属货币上的图案和锯齿、纸币上的水印、防伪线、纤维、光变油墨、凹版特征等，本质上只是在抬高假币的价格。 门槛，但不能从根本上禁止。 虽然可以将造假成本提高到造假货币无利可图，从而避免造假，但随着科技的不断发展，高科技技术向民用领域的广泛应用，造假的技术门槛也可能会下降. 如果造假者投入足够的物力、财力和智力，理论上任何传统的货币防伪技术都有可能被破解。

对于电子货币和数字货币，其形式是一串二进制信息。 他们要解决的问题比纸币的防伪更麻烦，因为信息可以很容易地在电脑中复制。 这串信息可以使用密码学来防止伪造。 例如，数字货币的发行者可以对每一个发行的数字货币进行签名，这样大家就可以很容易地验证货币的真伪。 此外，数字货币还存在双重支出问题。 在甲乙双方的交易中，如果没有其他人知道，甲方可以在与乙方交易前秘密备份同一种数字货币，然后假装与乙方的交易没有发生，与乙方进行交易丙方，解决办法是用一个账本记录已经发生的交易，避免同一种数字货币被多次花费。 这个账本既可以是像银行、支付宝这样的中心化账本，也可以是像比特币这样基于区块链技术的分布式账本。 量子货币通过量子不可克隆原理解决了货币的伪造和双花问题。

量子货币量子比特的基本原理，量子叠加态

在经典计算机中，比特“0”和“1”都用电压、磁场方向等经典物理量的代码表示，经典物理量的测量结果是唯一确定的，即经典位不可能同时出现在两个地方。 状态（如同时处于“高压”和“低压”状态）。 量子比特是基于微观粒子的量子态来存储的，它区别于经典物理态的最大特点是可以同时处于多个微观量子态的叠加态。 例如，用|0>表示电子的基态或自旋向下，用|1>表示激发态或自旋向上，则微观量子态可以表示为|>=a |0>+b|0>，其中a和b均为复数，其模的平方和为1。图1为经典数据位与量子数据位的对比。 经典数据位的表示不是0就是1，而量子数据位是│0>和│1>的叠加态，可以是0也可以是1·1。

量子货币是如何防伪防双花的

微观量子态本身包含着非常丰富的信息，但我们只能通过测量来获取它的信息，而测量的行为又会反过来影响量子态，导致被测量的量子态崩塌，最终每个量子位只能被测量。 关于它塌缩到的量子态的信息。 另一方面量子计算机会影响比特币吗，在量子世界中，克隆是不可能的。 也就是说，不存在任何电路可以实现这样的功能：输入是任意未知的量子态，输出是两个这样的量子态。 这就是量子非克隆（复制）的基本原理。

量子不可克隆原理构成了量子货币的理论基础。

量子货币本质上是一串信息，类似于电子货币和数字货币，但不同的是

除了经典的二进制编码信息外，量子货币还包含以量子位形式存储的量子信息。

使用量子比特的好处是每个量子比特可以以叠加态的形式存储比经典比特多得多的信息，而这些信息无法精确测量。 根据量子不可克隆原理，对量子比特的测量必然导致量子态坍缩为其中一个叠加态，从而永久丢失其他未坍缩态的所有信息。 这从本质上防止了量子货币的信息被测量和复制，因为量子物理学保证了量子比特的测量无法获得完整的信息。 此外，量子货币还可以使用类似于数字货币的密码学技术来避免被攻击者伪造。

量子不可克隆定理还可以防止量子货币的双花。

具体来说，量子货币的拥有者只能拥有量子态，但他无法知道每个量子态是什么。 如果他想知道，他只能测量，但一旦测量，量子态就会坍缩成另一种量子态（原始叠加态之一），相当于量子货币的拥有者销毁了自己的货币。 这种“持有量子态不知道量子态”的设计有效地防止了货币的双花，因为如果量子货币的拥有者知道自己手中的量子态是什么，他实际上可以“克隆”出很多份。

量子货币点对点支付

与传统货币相比，数字货币最大的优势在于传输方便。 它只需要通过网络传递信息，而不是像传统货币那样传递实物。 量子货币也是如此，只需要传递量子态所包含的信息即可。 传输的量子态信息可以通过发送包含这些信息的粒子（如光子）来实现，也可以通过量子通信在经典信道中实现——即通信双方事先共享一个纠缠态，然后只通过经典信道传输经典量子态。 二进制信息可以完成传递复杂量子态的任务。

因此，基于量子货币的交易可以直接在交易双方之间进行（最多只需要一个可信的第三方预先分发纠缠态），不需要第三方账本验证。

量子货币的核心问题：如何验证纸币

虽然“持量子态不知量子态”让我们可以利用量子不可克隆定理来解决量子货币的双花问题，但同时也带来了一个新的问题，那就是如何校验货币。 在甲方支付给乙方的交易中，由于乙方不知道自己持有的量子态信息，无法通过测量获得足够的信息，他怎么能确定这是合法的量子货币，而不是甲方制造的呢？随意？ 或者甲方观察到了吗？ 但是，如果允许测量来验证量子货币是否合法，甲方可以先测量自己的量子货币的量子态，然后根据坍缩态构造新的量子态再发送给乙方。因为甲方A 知道坍缩态的所有信息，他可以重建一个坍缩态的量子态并发送给 C 方，从而导致双花问题。 因此，乙方无法判断甲方是否花掉了这个量子货币，也无法判断崩溃状态是自己观察造成的还是甲方观察造成的。

理论上，无损量子货币验证是可行的。 量子叠加态的坍缩只有在存在多个叠加态时才会发生，如果只有一个态则不会发生坍缩。 因此，可以选择一个“合适”的变换，使得每一种法定量子货币的量子态在变换后在“合适”的量子位位置呈现出不坍缩的独特状态，然后就可以对这些数值进行部分测量. 一个量子位的状态不测量处于叠加态的其他量子位，从而可以在不破坏原始量子态的情况下获取量子态的信息。 而如果原始量子态是通过“适当的”密码签名编码构建的，那么这些测量信息就可以验证原始量子态编码的量子货币的合法性。

一个理论上可用的量子货币方案必须在以上三个“合适”的地方做出正确的选择，并给出数学证明。 除了实现无损验钞功能外，还需要保证验钞程序没有漏洞。 为解决这些问题，需要充分发挥密码学的作用，将其与量子计算相结合，探索量子加密方法，使量子货币的验证达到物理安全。

量子货币验证机制的研究问题还包括：验证是否可以脱离央行，由持币者独立完成的验证/验证过程是否会给量子态带来损失？ 能否支持多币种验货？ 磨损是否会导致一定的错误概率？ 如何应对噪音？

结语

科学总是在假设的验证和证伪中发展，这或许就是假设的价值所在。 “在量子计算机面前，区块链不值一提”当然也是一种假设。 从某种意义上说，提出问题比解决问题更重要。 数字货币的假说可以追溯到 20 世纪 70 年代以来密码学界的梦想：手头的现金能否像邮件一样，加一个数字信封，加密签名，从一端发送到另一端。 在David Chom、中本聪等人的不懈探索下，这个梦想逐渐发展成为席卷全球的数字货币实验。 历史表明，货币形态的演进和内涵的拓展都深受以往科技进步的影响，而这一过程不会在量子时代就此止步，而是会继续向前发展。 目前的量子技术无法支持量子货币，量子货币的理论也存在缺陷。 甚至有学者认为，未来是否适用还很难说。 但量子计算的发展正在加速，量子时代已经不再遥远，正在向我们走近。 新技术带来的挑战和机遇值得我们关注和探索。 （原题为《姚谦：量子货币：一个学术假说》，作者姚谦当时是中国证券登记结算有限责任公司总经理，原央行行长姚谦数字货币研究所）