量子計算什么時候到來？當(dāng)量子電腦出現(xiàn)時，比特幣會發(fā)生什么？
量子計算領(lǐng)域的最新進展再次引發(fā)了人們對其將如何影響比特幣的關(guān)注。在一份新發(fā)布的報告中，我們概述了量子計算的現(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)對量子計算的潛在出現(xiàn)。
- 長期路徑：這種綜合方法假設(shè)量子運算構(gòu)成實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，我們估計實現(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措施，以保障比特幣網(wǎng)路的安全，預(yù)計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，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？
如果量子運算能夠大規(guī)模實現(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，還沒有一臺量子計算機在解決商業(yè)相關(guān)問題方面超越經(jīng)典超級計算機，也沒有展現(xiàn)出足以威脅現(xiàn)代密碼學(xué)的能力。
CRQC 預(yù)計時間表
眾所周知，技術(shù)進步難以預(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)過渡的計畫。隨著PQC成為新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計會有更多公司效仿。
有何風(fēng)險？
比特幣面臨的威脅將帶來巨大的經(jīng)濟風(fēng)險。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？
量子計算預(yù)計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，整合多臺機器的運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 礦機的量子計算機，其工程挑戰(zhàn)遠大于建造一臺能夠破解數(shù)位簽章的量子計算機。部分原因在于量子處理器的時脈速度較低，遠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，因為公鑰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，例如實施地址重用的機構(gòu)持有者。
礦業(yè)
比特幣挖礦基于以下原理：找到有效區(qū)塊的機率與所花費的計算量呈線性關(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。這項限制可能會使擁有大規(guī)模中心化量子硬體的實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礦機的量子電腦被認(rèn)為比開發(fā)CRQC（可重復(fù)量子計算）要遙遠得多。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)成實際威脅。盡管如此，在未來量子環(huán)境下探索工作量證明機制仍是一個值得研究的方向。更好地理解潛在風(fēng)險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，預(yù)計未來幾年將取得進一步的進展。
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)致巨額財富轉(zhuǎn)移到擁有量子能力的實體，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、身份驗證和數(shù)位基礎(chǔ)設(shè)施面臨風(fēng)險。盡管量子計算尚未實現(xiàn)，但相關(guān)準(zhǔn)備工作正在進行中，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)險并探索切實可行的應(yīng)對措施。我們的報告重點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開放。隨時了解量子計算和密碼學(xué)的進展至關(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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