区块链量子理论基础

随着中国科学技术大学潘建伟实验室实现了18bit得量子纠缠，量子技术的应用也会越来越广泛。这里只讲量子应用在区块链中的应用。

由于量子技术非常复杂，需要大量数学、物理等各方面的基础，我会尽量得简化以方便阐述，具体请找相关专业人士。

双缝实验

1807年，托马斯·杨第一次描述了双缝实验：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，形成一个点光源。在纸后面再放一张开了两道平行狭缝的纸。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹。

试验本身没什么问题，证明了光有波粒二象性，但是科学家们想观察清楚具体是怎么形成这种条纹的，于是科学家们架设了高速摄像机，观察这些光子是如何一个一个通过缝隙形成波干涉的，但令人惊奇的是，光子波的特性消失了！又变成人类最容易理解的粒子，只出现了两条条纹。这给整个人类带来了前所未有的思想冲击。

单光子双缝干涉实验

随着科技的快速进步，科学家们使用可以在任意时间最多只有一个电子存在于发射器与探测屏之间的仪器再次进行单光子实验，这种仪器可以保证每一次最多只有一个电子通过双狭缝。

依照传统科学理论，该单光子每次有且仅有三种情况中的一种：

1. 被遮板挡住

2. 通过A缝

3. 通过B缝

只观察光斑分布，所以不必考虑情况1。只要光子通过了遮板，要么从A缝通过，要么从B缝通过。

按照这种传统理论推导，在投射面会形成两个均匀的光斑，因为每次只有一个光子通过，该光子无法与其他光子发生干涉。但令人诡异的是实际的实验中，就算每次只发射一个光子，投射出的光斑依然有干涉条纹！

单光子双缝干涉实验表明，就算每次只发射一个光子，在发射若干次后，投射面依然会形成明暗交替的影像。这就说明，每个光子似乎同时通过了两个缝隙，自己与自己产生了干涉。更让科学家们无法理解的是，如果在实验中使用高速摄像机对单光子双缝进行精确测量，来确定光子到底从哪个缝经过，则干涉条纹消失！

换句话说，光子似乎能够知道自己被测量，一旦被测量则它只会从一个缝中通过，没有干涉发生，也就没有了明暗交替的光斑。我们作为观察者，改变了整个过程。

量子力学思维实验 – 薛定谔之猫

1935年奥地利物理学家薛定谔提出了有关猫生死叠加的思想实验。

在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

如果我们不揭开密室的盖子，根据我们在日常生活中的经验，可以认定，猫或者死，或者活。这是它的两种本征态。如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则只能说，它处于一种活与死的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道猫是死是活。此时，猫构成的波函数由叠加态立即坍塌到某一个本征态。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于半死不活的叠加态，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。

平行多世界理论

1957年，休·埃弗莱特提出了平行世界理论：

有一只活猫，有一只死猫，它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变，而在于它既衰变又不衰变。当我们把盒子打开时，整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。区别只是在于其中一个版本中，原子衰变了，猫死了；而在另一个版本中，原子没有衰变，猫还活着。

延迟选择实验

1979年爱因斯坦的同事约翰·惠勒提出延迟选择实验。

在单光子双缝实验中，人们一观测，电子就呈“粒子形式”通过双缝，人们不观测，电子就以波的形式通过双缝。如果我们根据电子的速度，当确定它已经通过双缝之后，迅速的在后面的板上放上摄像机，会出现什么情况？

此话一出，天崩地裂。无数的科学家马上开始动手设计实验。

1984年，马里兰大学卡洛尔.阿雷和其同事公布了实验结果：当我们在确定电子已经通过双缝后，迅速的在后面的板上放上摄像机的结果依然是出现了两道条纹！反之亦然，如果迅速的拿掉摄像机，又会出现干涉条纹，即使我们在决定拿掉摄像机的时候，电子已经通过了双缝！

这说明我们现在的一个动作（是否放摄像机），可以决定电子过去的一个动作（以什么方式通过双缝）？

波尔的解释是：世界是由意识决定的。互补原理是这样说的：电子既是一种粒子，也是一种波，具有波粒二象性。但在每一个特定的时刻，电子不可能既是粒子又是波，而只能是其中的一种。它到底会是粒子还是波，这取决于是否有人观察它，当没人观察它时，它就是波，而一旦有人观察它，它就变成了粒子。

量子纠缠

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。

量子纠缠意味着，不管两个相互联系的量子距离多远，一个量子发生变化，另一个量子也会发生变化。

区块链量子化

根据量子理论，量子区块链就是区块链中的交易块不是同时存在于链上的数据块，而是相互纠缠在一起的光子，其中老光子不再存在，但是仍然与当前的光子的状态纠缠在一起。

在传统的区块链中，过去的一组交易被收集到数据块，加上时间戳，写入链中，并链接到前一个块。如果攻击者试图改变其中的一个数据块很难，因为它连接着前一个块的哈希值，攻击者要破解每个相链的块。而我们的数据块又是分散发布到网络上的，需要验证器的验证，块越旧，链接越多，破解就越难。

数据块

我们使用量子位对数据进行编码。与传统bit（1 或 0）不同，量子位同时为1和0。因此量子位可以是具有向上和向下旋转的电子叠加态。

交易

如果Indeex向Qiary发起交易。两个纠缠的量子位分别发送给Indeex和Qiary。Indeex根据他想发送的两种状态，将量子门应用于她的量子位，将量子位设置为两个量子位之间的纠缠态。有四种可能的贝尔态，它们很好地映射到Indeex试图发送的四个可能的2bit信息。

Indeex现在将他的量子位发送给Qiary，Qiary可以测量两个量子位之间的贝尔态，并解码Indeex发送的两2bit交易信息。例如，如果测量的贝尔态是X，则知道Indeex正在发送位00。如果贝尔态是Y，则Indeex正在发送位01。依此类推。

Qiary实际上不需要量子位测量贝尔态，可以从纠缠本身确定贝尔状态。

交易块与交易链

整个交易链的过程：

1. 一个新的数据块由一些不可信节点提交给网络。该新块与网络上的每个节点共享。

2. 由于不确定是否可以信任该节点，因此使用随机数验证器从网络中随机选择验证者节点。

3. 验证建议的新块是否有效。验证者生成一组随机数并将它们发送到网络。每个节点只能调用随机数验证器来验证量子位。

4. 一旦数据块被信任，其他节点将新的量子位添加到现有的量子位中，区块链的整个历史变成最新的链和量子态。

5. 来自前一个数据块的量子位现在被销毁，只留下最新的量子位。对于之前的量子位的纠缠以及整个链条历史中所有先前的量子位仍然存在。我们可以访问整个数据历史。但是因为旧的量子位被销毁，我们无法改变旧的块或纠缠。如果攻击者试图改变当前的交易块，纠缠结束，链条就回崩溃，一旦检测到链条可能崩溃，整条链就会被安全的锁定。

因此，当前区块链接到的是过去已经不存在的记录。

而这个新的区块链思想只是概念，尚未实际应用。

科学是真实的，链条尚不存在。

code enjoy! (^_−)−☆

作者：indeex

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