量子货币是一种学术假设

本文认为，量子计算是否让区块链和数字货币变得无关紧要，短期内尚无定论。但是，随着技术的发展，货币的形态和货币技术也必然会发生相应的变化。在未来的量子时代，量子货币可能会进入历史舞台。本文分析了量子货币的概念、起源、逻辑和基本原理，指出了量子货币的核心问题和研究方向。虽然量子货币理论还存在缺陷，但值得我们关注和探索。

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，是指如果量子计算机能够证明量子计算机在某个问题上的计算能力远远超过目前性能最好的超级计算机，那么量子计算机对传统计算机的霸权就实现了。 量子计算的发展极大地挑战了现有的密码系统。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，人们不禁担心量子计算的发展是否会影响区块链和数字货币的安全带。为了威胁，有人甚至断言，在量子计算机面前，区块链不值一提。但就目前而言，现在说还为时过早。首先，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，但对对称密码和散列算法的影响相对较小。其次，目前没有证据证明或证伪量子计算机可以解决NP（Nondeterministic Polynomial，非确定多项式）完全问题，也无法轻易得出结论，在量子计算环境下，基于计算复杂度的密码学没有未来。三是密码学一直是在编码与解码、攻防、矛与盾的对抗中发展起来的。不能说有量子计算，密码学就不行。量子计算也有其不足之处，它还可以构造反量子密码系统，如多变量公钥密码系统、基于哈希函数的数字签名方案、基于纠错码的密码系统和基于格的密码系统等。

因此，短期内很难说量子计算是否让区块链和数字货币失去了发展意义。但有一点是肯定的，那就是随着技术的发展，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抗量子密码学。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，也就是现在学术界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了量子叠加和量子计算的量子防伪技术。该技术融合了物理学、计算机科学、密码学等多个学科的前沿知识，最终在不引入记账机制的情况下解决了双花问题。理想的量子货币可以同时实现数字货币的易识别、难伪造、不可复制、使用方便等特点。

1969年，美国哥伦比亚大学研究生斯蒂芬·威斯纳首先提出了量子货币的概念。他设想该货币将配备存储光子的量子装置，量子态将用作货币的防伪标记，但仅限于发行该货币的中央银行。银行可以测试货币的真实性。 1982 年，Bennett 等人尝试构建第一个公钥量子货币。他们的计划只允许使用一种货币一次，称之为“地铁通行证”。后来发现他们的设计中有两个不安全因素：一是基于未知传递的不安全协议；另一个是可以通过Shor算法破解。 2003 年，Tokunaga 等人。改进了 Weisner 的方案，不要求中央银行跟踪每一个发行的货币，而是使用一种特殊的方法来确保货币在修改后仍然有效，这允许货币持有者在银行检查货币之前验证货币。进行修改以实现货币交易，但缺点是银行一旦发现假钞，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提出了复杂理论的不可克隆定理，假设存在验证给定状态是否等于有效量子货币状态的机制，而货币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，即使货币造假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。授权者运行模糊验证方法，直到获得最终结果才得到任何有用的信息。在验证过程中，他必须与银行进行沟通。该方案是一种量子货币私钥方案。 2012 年，Lutomirski 等人。使用扭结不变量的方法提出了一种真正的量子货币公钥方案。但是，目前还没有人能够证明该方案的安全性。 2015 年，Subhayan 等人。提出了一种量子支票协议，信任银行的任何合法客户都持有一个“量子支票簿”，可以签发支票并与银行共享一个经典通道。其分支机构完成货币验证。

理解量子货币的逻辑起点：造假和双花

货币发展的历史，就是防伪技术发展的历史，也是生产者与造假者不断斗争的历史。无论是贝壳、金属、纸张、塑料还是电子货币，防止伪造是货币生产的最重要目标。尤其是在信用货币时期，货币本身的价值属性逐渐弱化，货币防伪尤为重要。可以说，如果不能防止伪造，就没有货币。但是，历史上从来没有一种货币能够彻底解决伪造问题，而货币伪造的历史几乎与货币发展的历史一样长。时至今日，人民币、美元、欧元等各国伪造钞票的案件仍时有发生。

传统货币伪造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被精确测量。只要能根据测量结果重新组织材料，以足够的精度应对检查，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，如金属货币的花纹和锯齿、水印、防伪线、纤维、光变油墨、凹印特征等纸币的防伪特征，本质上只是提高了假币的功能。门槛，但没有从根本上禁止。虽然可以将造假成本做得足够高，使造假货币无利可图，从而避免造假，但随着技术的不断发展和高精度技术在民用领域的广泛应用，造假的技术门槛也可能会降低如果造假者投入足够的物力、财力和智力资源，任何传统的货币防伪技术理论上都有可能被破解。

对于电子货币和数字货币来说，它的形式是一串二进制信息。他们需要解决的问题比纸币的防伪更麻烦，因为信息很容易在电脑中复制。可以使用密码技术防止该信息串被伪造。例如，数字货币的发行方可以对发行的每一种数字货币进行签名，让每个人都可以轻松验证货币的真实性。此外，数字货币也存在双花问题。在甲乙双方的交易中，如果没有人知道，甲方可以在与乙方交易前偷偷备份相同的数字货币，然后假装与乙方的交易没有发生，进行交易解决方案是用账本记录已经发生的交易，避免同一种数字货币被多次消费。该账本可以是银行或支付宝等集中式账本，也可以是比特币等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性原理，解决了货币伪造和双花问题。

量子货币的基本原理

量子比特，量子叠加

在经典计算机中，位“0”和“1”由经典物理量组成。编码可以用例如电压、磁场方向等来表示，而经典物理量的测量结果是唯一确定的，即一个经典位不能同时处于两种状态（如同时处于“高电压”和“低电压”状态）。量子比特是基于微观粒子的量子态存储的，与经典物理状态不同的最重要的特点是它们可以同时处于几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，|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都是复数，它们的模长度的平方和为1。图1显示了经典数据位和量子数据位的比较。经典数据位的表示是0或1，而量子数据位是│0>和│1>的叠加，可以是0或1。1。

量子货币如何防止假冒和双花

微观量子态本身就包含着非常丰富的信息，但我们只能通过测量获得它的信息，而测量行为反过来又会影响量子态，导致被测量的量子态崩溃，最终每个量子位只能测量后得到一条关于坍缩量子态的信息。另一方面，在量子世界中，克隆是不可能的。换句话说，没有任何电路可以执行这样的功能：输入是任何未知的量子态，输出是两个这样的量子态。这就是量子不可克隆（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。量子货币本质上也是一串信息，类似于电子货币和数字货币，但不同的是，量子货币除了经典的二进制编码信息外，还包含以量子比特形式存储的量子信息。使用量子比特的优势在于，每个量子比特在叠加态下可以保存比经典比特更丰富的信息，而这些信息无法精确测量。根据量子不可克隆原理数字货币会不会被破解，对量子比特的测量必然会导致量子态坍缩为其中一种叠加态，从而永久丢失其他未坍缩状态的所有信息。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量子比特的测量不能产生完整的信息。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，而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毁掉了自己的货币。这种“持有量子态但不知道量子态”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”很多份。

量子货币的点对点支付

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。传输的量子态信息既可以通过发送包含该信息的粒子（如光子）来实现，也可以通过经典信道中的量子通信来实现——即通信双方预先共享一个纠缠的量子态，然后只传输经典频道通过经典频道。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在交易双方之间直接进行（最多只需要一个可信第三方来提前分发纠缠的量子态），不需要第三方验证账本。

量子货币的核心问题：如何验证纸币

虽然“持有量子态但不知道量子态”使我们能够利用量子不可克隆定理解决量子货币的双花问题，但也带来了新的问题，即如何验证纸币。在甲方支付给乙方的交易中，由于乙方不知道其持有的量子态信息，无法通过测量获得足够的信息，如何确定这是合法的量子货币，不是甲方任意创造的还是甲方观察到了？如果让测量的方法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，然后根据坍缩状态构造一个新的量子态并发送给乙方。因为甲方知道所有关于坍缩状态的信息，他可以重建一个坍缩的量子态并将其发送给丙方，这导致了双花问题。因此，乙方无法判断甲方是否花费了这笔量子货币数字货币会不会被破解，也无法判断崩溃状态是自己观察还是甲方观察造成的。

理论上，无损量子货币验钞是可行的。当存在多个叠加态时，就会发生量子叠加态的坍缩，如果只有一个态，则不会发生坍缩。因此，可以选择“合适”的变换，使得每一个合法的量子货币的量子态，在变换之后，都会在“合适”的量子比特位置呈现一个不坍缩的唯一状态，然后部分测量这些状态一个量子位不测量处于叠加态的其他量子位，因此可以在不破坏原始量子态的情况下获得有关该量子态的信息。而如果原始量子态被一个“合适的”密码签名编码，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。

理论上可用的量子货币解决方案必须在上述所有三个“适当”的地方都做出正确的选择，并给出数学证明。除了无损验钞功能外，还必须保证验钞程序没有漏洞。要解决这些问题，就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，使量子货币的验证实现物理安全。

关于量子货币验钞机制的研究问题还包括：验钞能否脱离央行，由持币人独立完成的验钞过程是否会给量子态带来损失？可以支持多张验钞吗？损失是否会导致一定的错误概率？如何处理噪音？

结论

科学总是在假设的证实和证伪中发展，这可能就是假设的价值。 “在量子计算机面前，区块链不值一提”当然是一个假设。从某种意义上说，提出问题比解决问题更重要。数字货币的想法可以追溯到1970年代以来的密码学梦想：你手中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。这个梦想在大卫·潮姆、中本聪等人的不懈探索下，逐渐发展成为席卷全球的数字货币实验。历史表明，货币形态的演变和内涵的拓展，都深受以往科技进步的影响。这个过程不会在量子时代就此结束，而是会继续向前发展。目前，量子技术无法支持量子货币，量子货币理论也存在缺陷。甚至有学者认为，未来能否适用还很难说。但量子计算正在加速，量子时代不再遥远，它正在向我们靠近。新技术带来的挑战和机遇值得我们关注和探索。