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区块链如何应对量子计算的挑战?

2020-01-21 ·608次阅读 ·读完需要10分钟

量子计算是运用量子力学原理处理数据和解决问题的新方法,与经典计算不同。量子计算机,在十年前普遍地认为是否可能造出,十年后的今天普遍公认,量子计算机的实现不再是能不能的问题,而是何时实现的时间问题。

目前,区块链的加密功能被认为是安全的,因为要攻破它们需要大量的计算资源,而这是传统计算机无法实现的。然而,一台量子计算机将能够在几天之内打破这种密码屏蔽。尽管这种威胁现在还只是理论上的,但它可能在大约十年后实现。


如今,世界各先进国家及其科技巨头都在量子计算领域投下了越来越为庞大的投资,亚马逊宣布已在其AWS服务器上提供量子云计算服务,谷歌声称最近它已经实现了量子霸权。

量子计算对区块链构成威胁吗?简短的答案是肯定的,但有细微差别需要考虑。首先,量子计算本身并不是对区块链的威胁,而是对使用该技术的项目的威胁。尽管当今的量子计算机无法破坏区块链及其底层的密码学,但实际上,即将出现的大型计算机确实是一种威胁,需要为此做好准备。尽管即将推出的量子计算机可能具有打破当今区块链加密技术的能力,但当世界采用抗量子区块链甚至节点依赖量子计算机的分布式分类帐技术时,这种威胁可以减少到零。


量子计算会威胁哪些加密算法和区块链?强大的量子计算机可能会威胁到所有依赖ECDSA的区块链。ECDSA,英语:Elliptic Curve Digital Signature Algorithm 的缩写,译名:椭圆曲线数字签名算法,是一种被广泛应用于数字签名的加密算法。比特币和开源的有智能合约功能的公共区块链平台——以太坊(Ethereum)所使用的数字签名算法就是这种算法。

ECDSA已成为在公钥密码系统下创建密钥的黄金标准,该系统用于在大多数区块链中签署交易。该系统允许创建一个随机的256位私钥和一个派生公钥,可以与任何第三方共享。这样,几乎不可能找到生成公钥的私钥,但是量子计算机可以采用一种算法来解开公钥和私钥之间的数学关系,从而揭示和破坏私钥。


比特币是区块链的第一个实际应用范例,它仍然是目前最主要的加密货币,成为主流并吸引了许多机构投资者,使它成为数字货币中第一个被保护免受任何潜在威胁(包括量子计算机)的候选者。2017年,在比特币爆炸式增长的同时,新加坡国立大学的研究团队研究了量子计算机对比特币的威胁,最先认知量子计算对比特币的危险即将来临。他们认为:“比特币使用的椭圆曲线签名方案受到的威胁更大,并且可能最早在2027年被量子计算机打破。”

量子技术正在以比先前所预期的更快的速度扩展。最近,谷歌宣布已实现“量子至上”,这表明它已经建造了一台能够解决以前无法解决的数学任务的计算机。


区块链的加密世界如何为量子计算做准备?有两种主要途径可解决潜在的量子威胁:一是为现有区块链协议创建抗量子层以提高其安全性,二是从头开始创建抗量子区块链。

有科学家研究了第二种方法。最好的例子是量子抗性账本(QRL),由总部位于瑞士的非营利组织QRL基金会运营。QRL以其具有启发性的名称从零创建了一个区块链协议。QRL旨在抵御来自量子计算机的任何威胁。

其证明主网于去年6月启用的QRL区块链是所谓的扩展默克尔签名方案(XMSS,Extended Merkle Signature Scheme的简称)的第一个工业化范例。该方案是基于散列的签名方案,不易受量子计算机的攻击。XMSS于几年前首次提出,而QRL使用的是去年的XMSS版本。


目前,美国国家标准技术研究院(NIST)已批准XMSS(QRL中使用的基于哈希的签名方案)的草案。与诸如ECDSA之类的通用密码算法不同,诸如XMSS之类的算法以及类似的基于哈希的签名方案称为Leighton-Micali(LMS),由于其具有抵御量子计算机攻击的能力,因此更加先进。但是,XMSS和LMS都容易被滥用,因此需要进行一些修改以解决该问题。

批准XMSS和LMS的基于哈希的签名方案的途径与NIST对后量子签名方案的更一般的要求是分开的,后者将在更晚的日期(可能是2022年或更晚)完成。迄今为止,由NIST发起的大型竞赛已收到80多项参赛作品。竞争的目标是选择最佳的后量子密码算法。


有趣的是,美国国家安全局也表示愿意从NIST提交中受益。早在2015年,美国国家安全局(NSA)表示,计划将其国家安全系统(National Security Systems)转移到量子后的公共密钥加密技术。在过去的几年中,美国代理机构与行业先行者进行了合作,以确保其具有足够的抗量子算法,可以保护美国的安全系统。截至今天,只有少数实体在抗量子区块链上工作,这种趋势预计在未来几年会扩大。

比特币是否必须更新其基础设施以变得具有量子抗性?虽然目前量子计算机尚未对比特币构成威胁,但加密货币将来需要升级。比特币使用两种安全方案,即用于区块创建的哈希函数和用于签名的ECDSA算法。后者更容易受到量子计算机带来的风险的影响,并且将来可能需要额外的保护层。


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