2030年比特幣會(huì)被量子計(jì)算機(jī)攻破嗎？
量子計(jì)算的進(jìn)展正在為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)新的安全風(fēng)險(xiǎn)。本節(jié)旨在探討旨在應(yīng)對(duì)量子威脅的技術(shù)，并審視比特幣和以太坊如何為這一轉(zhuǎn)變做準(zhǔn)備。
核心要點(diǎn)
- Q-Day 情景，即量子計(jì)算機(jī)能夠攻破區(qū)塊鏈密碼學(xué)的情景，估計(jì)將在 5 到 7 年內(nèi)到來(lái)。貝萊德在其比特幣 ETF 申請(qǐng)文件中也指出了這一風(fēng)險(xiǎn)。
- 后量子密碼學(xué)在三個(gè)安全層面提供針對(duì)量子攻擊的保護(hù)：通信加密、交易簽名和數(shù)據(jù)存續(xù)。
- 谷歌和 AWS 等公司已經(jīng)開(kāi)始采用后量子密碼學(xué)，但比特幣和以太坊仍處于早期討論階段。
一項(xiàng)新技術(shù)引發(fā)陌生問(wèn)題
如果一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)能在幾分鐘內(nèi)破解一個(gè)比特幣錢包，區(qū)塊鏈的安全性還能維持嗎？
區(qū)塊鏈安全的核心是私鑰保護(hù)。要竊取某人的比特幣，攻擊者必須獲取私鑰，這在現(xiàn)有的計(jì)算方式下實(shí)際上是無(wú)法做到的。在鏈上可見(jiàn)的只有公鑰，而即使使用超級(jí)計(jì)算機(jī)，從公鑰推導(dǎo)出私鑰也需要數(shù)百年時(shí)間。
量子計(jì)算機(jī)改變了這種風(fēng)險(xiǎn)狀況。經(jīng)典計(jì)算機(jī)順序處理 0 或 1，而量子系統(tǒng)可以同時(shí)處理兩種狀態(tài)。這種能力使得從公鑰推導(dǎo)出私鑰在理論上成為可能。
專家估計(jì)，能夠破 解現(xiàn)代密碼學(xué)的量子計(jì)算機(jī)可能在 2030 年左右出現(xiàn)。這個(gè)預(yù)計(jì)的時(shí)刻被稱為 Q-Day，表明距離實(shí)際攻擊變得可行還有五到七年的時(shí)間。
來(lái)源：SEC
監(jiān)管機(jī)構(gòu)和主要機(jī)構(gòu)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這一風(fēng)險(xiǎn)。2024 年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院引入了后量子密碼學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。貝萊德也在其比特幣 ETF 申請(qǐng)文件中指出，量子計(jì)算的進(jìn)展可能威脅比特幣的安全。
量子計(jì)算不再是一個(gè)遙遠(yuǎn)的理論問(wèn)題。它已成為一個(gè)需要實(shí)際準(zhǔn)備而非寄希望于假設(shè)的技術(shù)問(wèn)題。
量子計(jì)算挑戰(zhàn)區(qū)塊鏈安全
要了解區(qū)塊鏈交易如何運(yùn)作，請(qǐng)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：Ekko 向 Ryan 發(fā)送 1 個(gè) BTC。
當(dāng) Ekko 創(chuàng)建一條聲明"我向 Ryan 發(fā)送我的 1 個(gè) BTC"的交易時(shí)，他必須附加一個(gè)唯一的簽名。這個(gè)簽名只能使用他的私鑰產(chǎn)生。
然后，Ryan 和網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)使用 Ekko 的公鑰來(lái)驗(yàn)證該簽名是否有效。公鑰就像一個(gè)可以驗(yàn)證簽名但無(wú)法重新創(chuàng)建簽名的工具。只要 Ekko 的私鑰保持機(jī)密，就沒(méi)有人可以偽造他的簽名。
這構(gòu)成了區(qū)塊鏈交易安全的基礎(chǔ)。
私鑰可以生成公鑰，但公鑰無(wú)法揭示私鑰。這是通過(guò)橢圓曲線數(shù)字簽名算法實(shí)現(xiàn)的，該算法基于橢圓曲線密碼學(xué)。ECDSA 依賴于一種數(shù)學(xué)上的不對(duì)稱性，即一個(gè)方向的計(jì)算很簡(jiǎn)單，而反向計(jì)算在計(jì)算上是不可行的。
隨著量子計(jì)算的發(fā)展，這道屏障正在減弱。關(guān)鍵要素是量子比特。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)順序處理 0 或 1。量子比特可以同時(shí)表示兩種狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行計(jì)算。擁有足夠數(shù)量的量子比特，量子計(jì)算機(jī)可以在幾秒鐘內(nèi)完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要數(shù)十年才能完成的計(jì)算。
有兩種量子算法對(duì)區(qū)塊鏈安全構(gòu)成直接風(fēng)險(xiǎn)。
Shor 算法為從公鑰推導(dǎo)私鑰提供了一條途徑，從而削弱了公鑰密碼學(xué)。Grover 算法通過(guò)加速暴力搜索，降低了哈希函數(shù)的有效強(qiáng)度。
Shor 算法：直接資產(chǎn)盜竊
當(dāng)今大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)安全依賴于兩種公鑰密碼系統(tǒng)：RSA 和 ECC。
當(dāng)今大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)安全依賴于兩種公鑰密碼系統(tǒng)：RSA 和 ECC。它們通過(guò)利用整數(shù)分解和離散對(duì)數(shù)等困難的數(shù)學(xué)問(wèn)題來(lái)抵御外部攻擊。區(qū)塊鏈通過(guò)基于 ECC 的橢圓曲線數(shù)字簽名算法使用相同的原理。
以現(xiàn)有的計(jì)算能力，破解這些系統(tǒng)需要數(shù)十年時(shí)間，因此它們被認(rèn)為是實(shí)際安全的。
Shor 算法改變了這一點(diǎn)。運(yùn)行 Shor 算法的量子計(jì)算機(jī)可以高速執(zhí)行大整數(shù)分解和離散對(duì)數(shù)計(jì)算，這種能力可以破解 RSA 和 ECC。
利用 Shor 算法，量子攻擊者可以從公鑰推導(dǎo)出私鑰，并隨意轉(zhuǎn)移相應(yīng)地址中的資產(chǎn)。任何曾經(jīng)發(fā)送過(guò)交易的地址都面臨風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槠涔€在鏈上變得可見(jiàn)。這將導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)個(gè)地址可能同時(shí)面臨風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)景。
Grover 算法：攔截交易
區(qū)塊鏈安全也依賴于對(duì)稱密鑰加密（如 AES）和哈希函數(shù)（如 SHA-256）。
AES 用于加密錢包文件和交易數(shù)據(jù)，找到正確的密鑰需要嘗試所有可能的組合。SHA-256 支持工作量證明難度調(diào)整，礦工需要反復(fù)搜索滿足規(guī)定條件的哈希值。
這些系統(tǒng)假設(shè)，當(dāng)一筆交易在內(nèi)存池中等待時(shí)，其他用戶沒(méi)有足夠的時(shí)間在其被打包進(jìn)區(qū)塊之前分析或偽造它。
Grover 算法削弱了這一假設(shè)。它利用量子疊加加速搜索過(guò)程，并降低了 AES 和 SHA-256 的有效安全級(jí)別。量子攻擊者可以實(shí)時(shí)分析內(nèi)存池中的交易，并生成一個(gè)偽造版本，該版本使用相同的輸入（UTXO）但將輸出重定向到不同的地址。
這導(dǎo)致了交易被配備量子計(jì)算機(jī)的攻擊者攔截的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致資金被轉(zhuǎn)移到非預(yù)期的目的地。從交易所提現(xiàn)和常規(guī)轉(zhuǎn)賬可能成為此類攔截的常見(jiàn)目標(biāo)。
后量子密碼學(xué)
在量子計(jì)算時(shí)代，如何維持區(qū)塊鏈安全？
未來(lái)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)需要即使在量子攻擊下也能保持安全的密碼算法。這些算法被稱為后量子密碼學(xué)技術(shù)。
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院已經(jīng)提出了三項(xiàng)主要的 PQC 標(biāo)準(zhǔn)，比特幣和以太坊社區(qū)都在討論將其采納為長(zhǎng)期安全的基礎(chǔ)。
Kyber：保護(hù)節(jié)點(diǎn)間通信
Kyber 是一種算法，旨在允許網(wǎng)絡(luò)上的兩方安全地交換對(duì)稱密鑰。
長(zhǎng)期以來(lái)支持互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的傳統(tǒng)方法，如 RSA 和 ECDH，容易受到 Shor 算法的攻擊，并在量子環(huán)境下有暴露的風(fēng)險(xiǎn)。Kyber 通過(guò)使用一種基于格的數(shù)學(xué)問(wèn)題（稱為 Module-LWE）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，該問(wèn)題被認(rèn)為即使對(duì)量子攻擊也具有抵抗力。這種結(jié)構(gòu)可以防止數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被攔截或解密。
Kyber 保護(hù)所有通信路徑：HTTPS 連接、交易所 API 以及錢包到節(jié)點(diǎn)的消息傳遞。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)在共享交易數(shù)據(jù)時(shí)也可以使用 Kyber，防止第三方監(jiān)控或提取信息。
實(shí)際上，Kyber 為量子計(jì)算時(shí)代重建了網(wǎng)絡(luò)傳輸層的安全性。
Dilithium：驗(yàn)證交易簽名
Dilithium 是一種數(shù)字簽名算法，用于驗(yàn)證交易是由私鑰的合法持有者創(chuàng)建的。
區(qū)塊鏈的所有權(quán)依賴于"用私鑰簽名，用公鑰驗(yàn)證"的 ECDSA 模型。問(wèn)題在于 ECDSA 容易受到 Shor 算法的攻擊。通過(guò)訪問(wèn)公鑰，量子攻擊者可以推導(dǎo)出相應(yīng)的私鑰，從而實(shí)現(xiàn)簽名偽造和資產(chǎn)盜竊。
Dilithium 通過(guò)使用結(jié)合了 Module-SIS 和 LWE 的基于格的結(jié)構(gòu)來(lái)避免這種風(fēng)險(xiǎn)。即使攻擊者分析了公鑰和簽名，私鑰也無(wú)法被推斷，并且該設(shè)計(jì)對(duì)量子攻擊保持安全。應(yīng)用 Dilithium 可以防止簽名偽造、私鑰提取和大規(guī)模資產(chǎn)被盜。
它既保護(hù)了資產(chǎn)所有權(quán)，也保護(hù)了每筆交易的真實(shí)性。
SPHINCS+：保存長(zhǎng)期記錄
SPHINCS+使用一種多層哈希樹(shù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)簽名通過(guò)該樹(shù)中的特定路徑進(jìn)行驗(yàn)證，并且由于單個(gè)哈希值無(wú)法被反向推算出其輸入，因此該系統(tǒng)即使對(duì)量子攻擊也能保持安全。
當(dāng) Ekko 和 Ryan 的交易被添加到區(qū)塊中后，記錄就成為永久性的。這可以比作文檔指紋。
SPHINCS+將交易的每個(gè)部分轉(zhuǎn)換為哈希值，創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)特的模式。如果文檔中即使一個(gè)字符發(fā)生變化，其指紋也會(huì)完全改變。同樣，修改交易的任何部分都會(huì)改變整個(gè)簽名。
即使幾十年后，任何修改 Ekko 和 Ryan 交易的企圖都會(huì)被立即檢測(cè)到。盡管 SPHINCS+產(chǎn)生的簽名相對(duì)較大，但它非常適合必須長(zhǎng)期保持可驗(yàn)證性的金融數(shù)據(jù)或政府記錄。量子計(jì)算機(jī)將難以偽造或復(fù)制這種指紋。
總之，PQC 技術(shù)在一筆標(biāo)準(zhǔn)的 1 BTC 轉(zhuǎn)賬中構(gòu)建了針對(duì)量子攻擊的三層保護(hù)：Kyber 用于通信加密，Dilithium 用于簽名驗(yàn)證，SPHINCS+用于記錄完整性。
比特幣與以太坊：殊途同歸
比特幣強(qiáng)調(diào)不可更改性，而以太坊則優(yōu)先考慮適應(yīng)性。這些設(shè)計(jì)理念是由過(guò)去的事件塑造的，并影響著每個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對(duì)量子計(jì)算威脅的方式。
比特幣：通過(guò)最小化變更保護(hù)現(xiàn)有鏈
比特幣對(duì)不可更改性的強(qiáng)調(diào)可追溯到 2010 年的價(jià)值溢出事件。一名黑客利用漏洞創(chuàng)造了 1840 億枚 BTC，社區(qū)通過(guò)軟分叉在五小時(shí)內(nèi)使該交易失效。在這次緊急行動(dòng)之后，"已確認(rèn)的交易絕不能更改"的原則成為比特幣身份的核心。這種不可更改性維護(hù)了信任，但也使得快速的結(jié)構(gòu)性變更變得困難。
這種理念延續(xù)到比特幣應(yīng)對(duì)量子安全的方法中。開(kāi)發(fā)人員同意升級(jí)是必要的，但通過(guò)硬分叉進(jìn)行全鏈替換被認(rèn)為對(duì)網(wǎng)絡(luò)共識(shí)來(lái)說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)太大。因此，比特幣正在探索通過(guò)混合遷移模式進(jìn)行漸進(jìn)式過(guò)渡。
來(lái)源：bip360.org
這種理念延續(xù)到比特幣應(yīng)對(duì)量子安全的方法中。開(kāi)發(fā)人員同意升級(jí)是必要的，但通過(guò)硬分叉進(jìn)行全鏈替換被認(rèn)為對(duì)網(wǎng)絡(luò)共識(shí)來(lái)說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)太大。因此比特幣正在探索通過(guò)混合遷移模式進(jìn)行漸進(jìn)式過(guò)渡。
如果被采納，用戶將能夠同時(shí)使用傳統(tǒng)的 ECDSA 地址和新的 PQC 地址。例如如果 Ekko 的資金存放在舊的比特幣地址中，他可以在 Q-Day 臨近時(shí)逐步將其遷移到 PQC 地址。由于網(wǎng)絡(luò)同時(shí)識(shí)別兩種格式，安全性得到提高，而不會(huì)強(qiáng)制進(jìn)行破壞性的過(guò)渡。
挑戰(zhàn)仍然很大。數(shù)億個(gè)錢包需要遷移，并且對(duì)于私鑰丟失的錢包尚無(wú)明確的解決方案。社區(qū)內(nèi)不同的意見(jiàn)也可能增加鏈分叉的風(fēng)險(xiǎn)。
以太坊：通過(guò)靈活架構(gòu)重新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快速過(guò)渡
以太坊的適應(yīng)性原則源于 2016 年的 DAO 黑客攻擊。當(dāng)大約 360 萬(wàn)枚 ETH 被盜時(shí)，VitalikButerin 和以太坊基金會(huì)執(zhí)行了一次硬分叉以逆轉(zhuǎn)這次盜竊。
這個(gè)決定將社區(qū)分裂為以太坊（ETH）和以太坊經(jīng)典（ETC）。從那時(shí)起，適應(yīng)性已成為以太坊的一個(gè)決定性特征，也是其能夠?qū)嵤┛焖僮兏锏年P(guān)鍵因素。
來(lái)源：web3edge
歷史上，所有以太坊用戶都依賴外部賬戶，這些賬戶只能通過(guò) ECDSA 簽名算法發(fā)送交易。由于每個(gè)用戶都依賴相同的密碼模型，更改簽名方案需要全網(wǎng)范圍的硬分叉。
EIP-4337 改變了這種結(jié)構(gòu)，使賬戶能夠像智能合約一樣運(yùn)作。每個(gè)賬戶可以定義自己的簽名驗(yàn)證邏輯，允許用戶采用替代的簽名方案，而無(wú)需修改整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。簽名算法現(xiàn)在可以在賬戶級(jí)別替換，而不是通過(guò)協(xié)議范圍的升級(jí)。
在此基礎(chǔ)上，已經(jīng)出現(xiàn)了一些支持 PQC 采用的提案：
- EIP-7693：引入混合遷移路徑，在保持與 ECDSA 兼容的同時(shí)，支持逐步過(guò)渡到 PQC 簽名。
- EIP-8051：在鏈上應(yīng)用 NISTPQC 標(biāo)準(zhǔn)，以在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)條件下測(cè)試 PQC 簽名。
- EIP-7932：允許協(xié)議同時(shí)識(shí)別和驗(yàn)證多種簽名算法，使用戶能夠選擇他們喜歡的方法。
在實(shí)踐中，使用基于 ECDSA 錢包的用戶可以在量子威脅迫近時(shí)遷移到基于 Dilithium 的 PQC 錢包。這種過(guò)渡發(fā)生在賬戶級(jí)別，不需要替換整個(gè)鏈。
總之，比特幣旨在保持其當(dāng)前結(jié)構(gòu)的同時(shí)并行整合 PQC，而以太坊則正在重新設(shè)計(jì)其賬戶模型以直接吸納 PQC。兩者都追求抗量子這一相同目標(biāo)，但比特幣依賴于保守的演進(jìn)，而以太坊則采用結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新。
當(dāng)區(qū)塊鏈仍在爭(zhēng)論時(shí)，世界已經(jīng)改變
全球互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)開(kāi)始向新的安全標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡。
由集中化決策支持的 Web2 平臺(tái)行動(dòng)迅速。谷歌從 2024 年 4 月開(kāi)始在 Chrome 瀏覽器中默認(rèn)啟用后量子密鑰交換，并將其部署到數(shù)十億臺(tái)設(shè)備。微軟宣布了一項(xiàng)全組織范圍的遷移計(jì)劃，目標(biāo)是在 2033 年前全面采用 PQC。AWS 在 2024 年底開(kāi)始使用混合 PQC。
區(qū)塊鏈面臨不同的情況。比特幣的 BIP-360 仍在討論中，而以太坊的 EIP-7932 已提交數(shù)月但尚未有公開(kāi)測(cè)試網(wǎng)。VitalikButerin 已經(jīng)概述了漸進(jìn)式遷移路徑，但尚不清楚是否能在量子攻擊變得實(shí)際可行之前完成過(guò)渡。
一份德勤報(bào)告估計(jì)，大約 20%到 30%的比特幣地址已經(jīng)暴露了其公鑰。它們目前是安全的，但一旦量子計(jì)算機(jī)在 2030 年代成熟，它們可能成為目標(biāo)。如果網(wǎng)絡(luò)在那個(gè)階段嘗試硬分叉，分裂的可能性很高。比特幣對(duì)不可更改性的承諾，雖然是其身份的基礎(chǔ)，但也使得快速變革變得困難。
最終，量子計(jì)算既提出了技術(shù)挑戰(zhàn)，也提出了治理挑戰(zhàn)。Web2 已經(jīng)開(kāi)始了過(guò)渡。區(qū)塊鏈仍在爭(zhēng)論如何開(kāi)始。決定性的問(wèn)題將不是誰(shuí)先行動(dòng)，而是誰(shuí)能安全地完成過(guò)渡。
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