量子計(jì)算什么時候到來？當(dāng)量子電腦出現(xiàn)時，比特幣會發(fā)生什么？
量子計(jì)算領(lǐng)域的最新進(jìn)展再次引發(fā)了人們對其將如何影響比特幣的關(guān)注。在一份新發(fā)布的報(bào)告中，我們概述了量子計(jì)算的現(xiàn)狀、比特幣的威脅模型以及正在考慮的后續(xù)步驟。本文概述了我們的主要發(fā)現(xiàn)和建議
比特幣準(zhǔn)備量子計(jì)算的時間表
我們概述了比特幣的雙軌遷移策略，以應(yīng)對量子計(jì)算的潛在出現(xiàn)。
- 長期路徑：這種綜合方法假設(shè)量子運(yùn)算構(gòu)成實(shí)際威脅之前仍有相當(dāng)長的時間視窗。參考隔離見證(SegWit) 和Taproot 等先前協(xié)議升級的時間表，我們估計(jì)實(shí)現(xiàn)完全的量子安全過渡可能需要大約7 年時間。
- 短期應(yīng)急路徑：此路徑用于應(yīng)對量子計(jì)算技術(shù)突然突破時的緊急應(yīng)變。它優(yōu)先考慮快速部署防護(hù)措施，以保障比特幣網(wǎng)路的安全，預(yù)計(jì)大約需要兩年才能完成。
在這兩種情況下，精心管理的資金（例如儲存在P2PKH 或P2WPKH 等哈希地址類型中且不重復(fù)使用地址）已經(jīng)受到保護(hù)，免受量子攻擊。然而，以后量子時代安全的方式使用這些資金需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施，預(yù)計(jì)這些基礎(chǔ)設(shè)施將在這兩個時間線的第二階段開發(fā)完成。
量子電腦：何時問世？有何功能？
如果量子運(yùn)算能夠大規(guī)模實(shí)現(xiàn)，它可以利用量子力學(xué)原理顯著提升特定類型問題的處理速度。尤其值得關(guān)注的是密碼相關(guān)量子電腦(CRQC)，它們能夠破解現(xiàn)代密碼學(xué)背后的數(shù)學(xué)假設(shè)。這其中就包括橢圓曲線密碼學(xué)(ECC) 等演算法，而這些演算法是比特幣安全的基礎(chǔ)。
雖然量子計(jì)算幾十年來一直是理論研究的活躍領(lǐng)域，但在建造大規(guī)模量子機(jī)器（尤其是CRQC）方面仍然存在重大的工程挑戰(zhàn)。迄今為止，還沒有一臺量子計(jì)算機(jī)在解決商業(yè)相關(guān)問題方面超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)，也沒有展現(xiàn)出足以威脅現(xiàn)代密碼學(xué)的能力。
CRQC 預(yù)計(jì)時間表
眾所周知，技術(shù)進(jìn)步難以預(yù)測，它很少遵循線性路徑，歷史上有許多突飛猛進(jìn)的例子。為了預(yù)測密碼學(xué)領(lǐng)域的潛在變化，一些組織已經(jīng)提出了密碼簽名過渡的時間表。
其中最突出的努力之一來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST），該研究院一直引領(lǐng)著密碼標(biāo)準(zhǔn)的制定。他們發(fā)布的建議突出了兩個關(guān)鍵日期：
- 到2030 年，ECDSA 和RSA 等傳統(tǒng)加密方法應(yīng)該會被淘汰。
- 到2035年，所有加密系統(tǒng)都應(yīng)完全過渡到后量子演算法。
英國國家網(wǎng)路安全中心采取了類似的方法，采用三階段遷移框架，旨在到2035 年完成向后量子密碼學(xué)的過渡。歐盟和中國等其他實(shí)體也在積極研究后量子密碼學(xué)策略，盡管他們尚未公布正式的時間表。
在產(chǎn)業(yè)層面，包括Cloudflare、Signal和Google在內(nèi)的多家領(lǐng)先公司已開始采用后量子密碼學(xué)。他們正在實(shí)施混合簽章方案，將傳統(tǒng)加密方法與后量子演算法結(jié)合，攻擊者需要破解這兩種演算法才能入侵系統(tǒng)。蘋果也宣布了向后量子密碼學(xué)過渡的計(jì)畫。隨著PQC成為新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)會有更多公司效仿。
有何風(fēng)險(xiǎn)？
比特幣面臨的威脅將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。圖2 分析顯示，約有651 萬枚比特幣（目前估值超過7,000 億美元，占目前供應(yīng)量的32.7%）存在量子漏洞。這包括地址重復(fù)使用的資金、本質(zhì)上易受量子攻擊的腳本類型保護(hù)的資金，以及透過比特幣分叉（例如比特幣現(xiàn)金）上的公鑰暴露而易受量子攻擊的資金。
比特幣威脅模型：我們該擔(dān)心什么？
量子計(jì)算預(yù)計(jì)將影響比特幣的兩個關(guān)鍵領(lǐng)域：挖礦和交易簽名。在量子挖礦中，整合多臺機(jī)器的運(yùn)算能力的難度使得大型量子礦工擁有不成比例的優(yōu)勢，從而威脅到去中心化。對于交易簽章而言，風(fēng)險(xiǎn)更為直接，CRQC 可以從公鑰衍生出私鑰，從而竊取資金。
重要的是，這兩種威脅的時間表截然不同。建造一臺性能超越現(xiàn)代ASIC 礦機(jī)的量子計(jì)算機(jī)，其工程挑戰(zhàn)遠(yuǎn)大于建造一臺能夠破解數(shù)位簽章的量子計(jì)算機(jī)。部分原因在于量子處理器的時脈速度較低，遠(yuǎn)低于比特幣挖礦中使用的高度最佳化和專用硬件，而且缺乏并行化。
簽名
CRQC 可能會打破基于ECC 方案的假設(shè)，即無法從對應(yīng)的公鑰推導(dǎo)出私鑰，從而可能允許攻擊者竊取資金。在比特幣中，UTXO 的所有權(quán)是透過使用與給定公鑰對應(yīng)的私鑰簽署交易來證明的。如果CRQC 能夠從公鑰推導(dǎo)出該私鑰，它可以偽造所有權(quán)并花費(fèi)資金。
這導(dǎo)致了兩種截然不同的量子攻擊場景。使用哈希地址進(jìn)行付款時，公鑰會暫時暴露，這為攻擊者提供了短暫的窗口期（通常幾分鐘到幾小時）來獲取私鑰并竊取資金（可能透過鏈重組進(jìn)行）。相較之下，某些輸出類型（P2PK、P2MS、P2TR）從收到資金的那一刻起，公鑰就會永久地暴露在鏈上，這為攻擊者提供了無限的時間來發(fā)動量子攻擊。地址重復(fù)使用將哈希地址的暫時漏洞轉(zhuǎn)化為永久暴露，因?yàn)楣€在首次支付后仍然在鏈上可見。如圖3 所示，最易受攻擊的目標(biāo)是持有大量資金且公鑰暴露的地址，例如實(shí)施地址重用的機(jī)構(gòu)持有者。
礦業(yè)
比特幣挖礦基于以下原理：找到有效區(qū)塊的機(jī)率與所花費(fèi)的計(jì)算量呈線性關(guān)系。 Grover 演算法是一種量子搜尋技術(shù)，它為暴力搜尋提供了二次方的加速。然而，與傳統(tǒng)挖礦不同，Grover 演算法不易并行化。這項(xiàng)限制可能會使擁有大規(guī)模中心化量子硬體的實(shí)體獲得不成比例的優(yōu)勢，從而可能加劇挖礦的中心化，而不是擴(kuò)大參與度。
除了對中心化問題的擔(dān)憂之外，量子挖礦還可能改變礦工的最優(yōu)策略，例如增加陳舊區(qū)塊的比率來降低區(qū)塊鏈品質(zhì)。更高的陳舊區(qū)塊比率可能會降低某些攻擊（例如自私挖礦或雙花攻擊）的成本，使其更加可行。
如前所述，建造一臺能夠超越現(xiàn)代ASIC礦機(jī)的量子電腦被認(rèn)為比開發(fā)CRQC（可重復(fù)量子計(jì)算）要遙遠(yuǎn)得多。因此，量子挖礦并非迫在眉睫的問題，在未來幾十年內(nèi)不太可能構(gòu)成實(shí)際威脅。盡管如此，在未來量子環(huán)境下探索工作量證明機(jī)制仍是一個值得研究的方向。更好地理解潛在風(fēng)險(xiǎn)和緩解策略將有助于生態(tài)系統(tǒng)為量子挖礦成為現(xiàn)實(shí)做好準(zhǔn)備。
遷移到量子安全：主要挑戰(zhàn)是什么？
量子安全簽名
量子安全密碼簽章的研究已持續(xù)數(shù)十年，但近年來，人們對此的興趣和進(jìn)展都有所加速。這促成了SPHINCS+、FALCON 等候選協(xié)議的開發(fā)。然而，作為一個相對年輕的領(lǐng)域，該領(lǐng)域已出現(xiàn)多個最初被認(rèn)為是安全的方案，但后來被攻破（例如SIKE），甚至被經(jīng)典電腦攻破。盡管人們對現(xiàn)有候選方案的信任度與日俱增，但該領(lǐng)域仍活躍且不斷發(fā)展。
| 簽名算法 | 年份 | 密碼學(xué)類型 | 公鑰長度 | 公鑰長度與 Schnorr 算法對比 | 簽名長度 | 簽名長度與 Schnorr 算法對比 | 簽名成本與 Schnorr 算法對比 | 驗(yàn)簽成本與 Schnorr 算法對比 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Schnorr | 1989 | 橢圓曲線密碼學(xué)（ECC） | 32 字節(jié) | 1.0 倍 | 64 字節(jié) | 1.0 倍 | 1.0 倍 | 1.0 倍 |
| ECDSA | 1992 | 橢圓曲線密碼學(xué)（ECC） | 23 - 33 字節(jié) | 1.0 倍 | 70 - 72 字節(jié) | 1.1 倍 | 1.05 倍 | 1.05 倍 |
| SPHINCS+ 128s | 2015 | 哈希密碼學(xué)（Hash） | 32 字節(jié) | 1.0 倍 | 7856 字節(jié) | 122 倍 | 約 111000 倍 | 約 37 倍 |
| SPHINCS+ 128f | 2015 | 哈希密碼學(xué)（Hash） | 32 字節(jié) | 1.0 倍 | 17088 字節(jié) | 267 倍 | 約 5700 倍 | 約 99 倍 |
| CRYSTALS - Dilithium 44 | 2017 | 格密碼學(xué)（Lattice） | 1312 字節(jié) | 41 倍 | 2420 字節(jié) | 38 倍 | 約 8 倍 | 約 0.9 倍 |
| FALCON 512 | 2017 | 格密碼學(xué)（Lattice） | 897 字節(jié) | 28 倍 | 666 字節(jié) | 10 倍 | 約 24 倍 | 約 0.6 倍 |
| SQIsign I | 2023 | 同源密碼學(xué)（Isogeny） | 64 字節(jié) | 2 倍 | 177 字節(jié) | 2.8 倍 | 約 135000 倍 | 約 830 倍 |
如上所示，后量子簽章方案的一個顯著限制在于，與比特幣目前使用的經(jīng)典演算法（例如ECDSA和Schnorr）相比，它們的金鑰和簽名大小顯著增大，驗(yàn)證時間也顯著增加。為了解決這個問題，一些提案建議利用隔離見證（SegWit）的見證人折扣機(jī)制來減少鏈上占用空間。然而，將量子安全簽名整合到協(xié)議中的最佳方法仍是一個懸而未決的問題。除了效能方面的權(quán)衡之外，量子安全方案尚不支援經(jīng)典簽章提供的全部功能，例如閃電網(wǎng)路和其他應(yīng)用程式中所依賴的簽章。該領(lǐng)域仍然是密碼學(xué)界研究的熱點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來幾年將取得進(jìn)一步的進(jìn)展。
遷移路徑
如果比特幣社群選擇將易受攻擊的資金遷移到抗量子格式，則需要轉(zhuǎn)移大量的UTXO。目前有幾種方案正在考慮中，每種方案都有不同的權(quán)衡。有些方案著重于在不提前暴露公鑰的情況下，實(shí)現(xiàn)哈希位址輸出的安全使用。另一些方案則提出了一些機(jī)制，以限制或規(guī)范那些直接易受量子竊盜攻擊的UTXO 的使用。這些策略通常需要修改共識規(guī)則，例如軟分叉，并且還必須考慮轉(zhuǎn)移大量UTXO 的實(shí)際挑戰(zhàn)，即使在持續(xù)分配區(qū)塊空間的情況下，轉(zhuǎn)移過程也可能需要4 到18 個月的時間。
哲學(xué)困境：我們允許資金被偷走嗎？
比特幣社群面臨一個根本的哲學(xué)問題：應(yīng)該將易受量子攻擊的資金永久凍結(jié)（「銷毀」），還是將其保留在量子電腦可訪問的范圍內(nèi)（「竊取」）？這項(xiàng)抉擇觸及比特幣的核心原則：產(chǎn)權(quán)、抗審查性和不可竄改性。銷毀方案將量子脆弱性視為一個需要保守修復(fù)的協(xié)議漏洞，阻止財(cái)富重新分配給在CRQC 競賽中獲勝的人。竊取方案則認(rèn)為，銷毀資金侵犯了其所有者的產(chǎn)權(quán)，實(shí)際上是沒收了那些可能根本不知道威脅或無法及時遷移的人的資產(chǎn)。
其影響遠(yuǎn)不止于哲學(xué)層面，更關(guān)乎市場動態(tài)。協(xié)同銷毀將永久地將數(shù)百萬比特幣從流通中移除，這可能會提升剩余比特幣的價值，同時提供市場確定性。允許量子竊盜會導(dǎo)致巨額財(cái)富轉(zhuǎn)移到擁有量子能力的實(shí)體，隨著資金逐漸耗盡，可能會造成長期的市場不確定性和波動性。就此做出決定對于比特幣的治理模式至關(guān)重要，它要求社群在安全要求與使用者主 權(quán)和不干預(yù)的基本原則之間取得平衡。
那么，下一步是什么？
CRQC 的到來將標(biāo)志著數(shù)位領(lǐng)域的重大轉(zhuǎn)變，使當(dāng)今許多安全通訊、身份驗(yàn)證和數(shù)位基礎(chǔ)設(shè)施面臨風(fēng)險(xiǎn)。盡管量子計(jì)算尚未實(shí)現(xiàn)，但相關(guān)準(zhǔn)備工作正在進(jìn)行中，以確保比特幣能夠抵御未來的發(fā)展。加密社群和比特幣社群仍在繼續(xù)研究，以評估潛在風(fēng)險(xiǎn)并探索切實(shí)可行的應(yīng)對措施。我們的報(bào)告重點(diǎn)介紹了兩個近期可能需要關(guān)注的領(lǐng)域：停止地址重復(fù)使用，以及評估圍繞暴露資金的「銷毀與竊取」討論中的利弊權(quán)衡。
主動行動的窗口現(xiàn)已打開，盡管它可能不會永遠(yuǎn)開放。隨時了解量子計(jì)算和密碼學(xué)的進(jìn)展至關(guān)重要，研究潛在的緩解策略及其對比特幣生態(tài)系統(tǒng)的更廣泛影響也同樣重要。在后量子時代，確保比特幣的長期安全需要從現(xiàn)在開始進(jìn)行深思熟慮、謹(jǐn)慎的工作，這樣我們才能在時間尚存的情況下做出明智的決策。
到此這篇關(guān)于量子計(jì)算什么時候到來？當(dāng)量子電腦出現(xiàn)時，比特幣會發(fā)生什么？的文章就介紹到這了,更多相關(guān)比特幣未來分析內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持腳本之家！
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