解讀區塊鏈技術對量子攻擊的脆弱性以及量子安全區塊鏈的解決方案

量子計算機時代該如何保障區塊鏈的安全性？

位元幣目前可能正在經歷其最大的市場挑戰之一，但它仍然是現代技術中最重要的創新之一， 加密貨幣是第一種震撼世界并徹底改變我們對互聯網和技術的看法的數字貨幣， 首先，位元幣改變了我們對金錢和貨幣的看法，其次，它開始影響我們對資料和隱私的看法，現在，加密貨幣已經影響到我們的哲學和意識形態的人生觀，

位元幣將是游戲規則的改變者，并將永遠成為討論突破性技術解決方案的參考點， 它對金融、藝術、數字交易和資料隱私產生的影響是不可磨滅的，并將繼續成為最有價值的加密貨幣之一，或許也將會是人類存在的主要足跡，

然而，人們不能忘記位元幣背后的底層技術，以及為什么數字貨幣首先具有如此多的價值， 位元幣的安全和資料隱私功能之所以成為可能，是因為像位元幣這樣的數字貨幣是用稱為區塊鏈技術的高度安全的技術構建的，

區塊鏈技術是一種去中心化的解決方案，它允許資訊存盤在分布式賬本（區塊）上，并且如果不更改鏈中整個區塊的資訊，就無法更改此資訊，因此，區塊鏈技術通過確保所有區塊鏈接在一起，并且未經網路各方同意不得修改資料，從而充當分布式賬本， 這是可能的，因為一個塊中資訊的散列被復制到下一個塊上，這意味著篡改一個塊中的資訊自動意味著篡改所有塊， 區塊鏈的不變性特征仍然是使用區塊鏈技術的主要價值， 在資料管理已成為現代技術的主要特征的現代時代，確保資料安全的能力不容小覷，

然而，盡管區塊鏈技術具有巨大的前景和潛在應用，但現有的區塊鏈解決方案依賴于數字簽名，這使得它們容易受到量子計算機的攻擊， 除了這種容易受到量子計算機數字攻擊的脆弱性之外，擁有量子計算機的礦工還存在不公平的優勢，因為他們可以獲得更好的挖礦獎勵， 這兩個特征構成了區塊鏈技術的主要安全性和結構性缺陷，是區塊鏈技術進步需要努力糾正或改進的方面，

安全性和去中心化是區塊鏈解決方案的主要賣點，因此，必須努力確保圍繞這些關鍵領域改進這些區塊鏈解決方案，

位元幣挖礦和橢圓曲線數字簽名演算法

在區塊鏈網路中，任何成員都可以引入新的交易或賬本，只要他們附加他們的數字簽名進行身份驗證和問責，這一特殊規則使得成員方之間能夠進行價值和資產的交換，這些交易存盤在每個參與者的計算機或節點上，因此，每筆新交易都與現有交易相關聯，并像“區塊”一樣存盤，然而，盡管在網路上引入新交易具有所謂的“自由”，但存在指導新區塊形成和引入的規則，這些規則或程序的本質是確保和保證區塊不會過于頻繁地出現，并且每個參與節點都有機會驗證新區塊的真實性，一個典型的例子是位元幣，在位元幣中，使用“作業量證明”（PoW）來確保新標頭的哈希值不超過某個值，這種“作業量證明”是通過確保任何想要引入新區塊的人都必須解決 NP 難題來實作的，解決了這個問題后，這個人（礦工）就會得到位元幣社區的獎勵，

因此，位元幣的安全功能基于非常難以破譯或破解的加密協議， 密碼協議是利用數學函式的協議，比如分解，在一個方向上很容易，但在另一個方向上很難——至少對于普通的經典計算機來說是這樣， 在這種非對稱加密中，所有者生成兩個數字——一個保密的私鑰和一個公開的（公開可用的）公鑰， 非對稱加密的安全性基于稱為“單向函式”的數學原理， 這個原則規定公鑰可以很容易地從私鑰中匯出，而不是反過來，因此，這意味著公鑰可以很容易地從私鑰中生成，反之則不然，

通過使用他們的私鑰，個人可以產生可由任何擁有相應公鑰的人進行身份驗證的數字簽名， 這種特殊的方案在金融領域非常流行，用于證明所進行的金融交易的真實性和完整性， 因此，通過這個程序，接收者可以驗證所有者擁有私鑰，因此有權使用位元幣，

這一切意味著，除了區塊鏈解決方案的加密哈希功能外，區塊鏈技識訓依賴于其計算技術的數字簽名， 對于大多數支持區塊鏈的解決方案，橢圓曲線公鑰密碼術 (ECDSA) 或大整數分解問題 (RSA) 用于生成數字簽名，

欺騙或智勝系統的唯一方法是使用公鑰計算私鑰， 然而，從公鑰匯出私鑰的所有傳統（經典計算）演算法都需要天文數字的時間來執行此類計算，因此不實用， 唯一的例外是，使用量子計算機，這很容易，

量子計算機—區塊鏈技術的"肉中刺"

量子計算機是利用量子物理學的特性和特征來存盤資料執行計算的機器， 量子計算的基本概念是利用亞原子粒子的獨特能力，使它們能夠以多種狀態存在（即同時為 1 和 0）， 這使得量子計算不同于傳統計算，在傳統計算中計算機只能以位為單位處理資訊（即資訊取值為 1 或 0）， 量子計算機的這種獨特品質使它們能夠執行比經典計算機更出色的計算，

1994 年，數學家 Petr Shor 發表的一種量子演算法被證明能夠打破最常見的非對稱密碼演算法的底層安全假設， Shor 演算法能夠做到這一點，因為該演算法可以將大素數分解為兩個較小的素數，

這是破解加密的一個非常有用的特性，因為 RSA 系列加密依賴于以這種方式分解大素數， Shor 演算法在理論上適用于足夠大的量子計算機——因此，一個實際問題是，最終 Shor 演算法可能會發揮作用，除此之外，RSA 加密可能會被破解， 這意味著任何擁有足夠大的量子計算機的人都可以使用該演算法從其相應的公鑰中匯出私鑰，從而偽造任何數字簽名， 通過這種方式，接收者可以驗證所有者擁有私鑰，因此有權花費位元幣，

因此，為了繞過或抵消這一弱點，現代加密貨幣中的大多數加密都建立在橢圓曲線密碼學上，而不是 RSA ——尤其是在需要 ECDSA 的位元幣中生成簽名時， 這主要是因為橢圓曲線比經典計算機中的 RSA 更難破解（有時是指數級的），

然而，量子計算機再次被證明是區塊鏈技術的主要“肉中刺”， 這些計算機似乎顛覆了邏輯：只要有足夠大的量子計算機可用； 實際破解橢圓曲線加密比破解 RSA 更容易，

量子計算機對區塊鏈解決方案的潛在影響，也延伸到位元幣挖掘方面， 這種挖掘實際上是如何作業的，量子計算又從何而來？

有效的量子攻擊包括在將簽名交易廣播到網路后公開密鑰時找到私鑰，這將允許攻擊者使用私鑰簽署新交易，從而冒充密鑰所有者，只要量子攻擊者能夠確保他們的交易在真正的交易之前被放置在區塊鏈上，他們本質上就可以“竊取”交易并將新創建的未花費交易輸出（UTXO）匯入他們選擇的任何賬戶，很容易計算出，一臺具有 485,550 個量子位元并以 10 GHz 時鐘速度運行的量子計算機可以在 30 分鐘內使用 Shor 演算法解決該問題 ，同時，當前等待整合到位元幣區塊鏈中一個區塊的交易池中交易的平均等待時間經常超過 30 分鐘 ，這使得這種型別的攻擊非常可行，

每當一個新區塊被創建并被位元幣社區接受時，其“礦工”就會因開發新區塊所花費的計算能力而獲得位元幣獎勵， 新形成的塊必須包含一個稱為亂數的數字， 這個 nonce 有一個特殊的屬性，當它與塊的內容進行散列或數學組合時，它必須小于特定的目標值， 需要說明的是，hash是一種將任意長度的資料集轉化為特定長度的資料集的數學函式，尋找亂數的程序通常被稱為挖礦，它是一項獲得位元幣獎勵的努力， 由于 nonce 和塊內容很容易顯示，任何人都可以驗證塊， 然后將該塊放在分布式賬本上，并在驗證后合并到區塊鏈中， 然后礦工開始在下一個區塊上作業，但是生成亂數很耗時，因為唯一的方法是使用蠻力——必須一個接一個地嘗試數字，直到找到一個亂數， 因此，這是一個計算量非常大的程序，任務通常分配給共享獎勵的許多計算機，

因此，在某些情況下，兩個獨立的挖礦組發現不同的亂數并宣告兩個不同的區塊，位元幣協議規定，在這種情況下，已經處理過的區塊將被納入鏈中，而另一個則被丟棄，這個程序的漏洞在于，如果一組礦工控制了網路上超過 50% 的計算能力，它總是比擁有另外 49% 的任何人更快地挖掘區塊，在這種情況下，它有效地控制了分類帳，

盡管研究表明，目前大多數位元幣礦工使用的專用集成電路（ASICS）應該有能力在 2027 年之前保持相對于量子計算機的速度優勢，但這種挖礦優勢的可能性仍然是一個主要問題，

Grover 的搜索演算法是另一個類似的安全問題，該演算法允許在計算逆散列函式時二次加速，攻擊者的目標是生成與網路其余部分總和一樣多的 PoW——有效地強制對攻擊者想要的任何塊達成共識（這被稱為 51% 攻擊），這種攻擊將允許犯罪者破壞其他方的交易或阻止他們自己的支出交易記錄在區塊鏈中，

當前的 ASIC 礦工能夠執行大約 18 TH/s，結合當前位元幣網路的規模，這使得基于量子的 51% 攻擊暫時不可行，基于當前 ASIC 技術以及其他作者的計算得出，這種型別的攻擊最早可能發生在 2028 年，然而，ASIC 技術的進步可能會推遲這種情況約會更遠，

應對方案—量子安全區塊鏈

難道區塊鏈遲早會被更強大的量子計算機所攻破嗎？

唯一的解決方案是過渡到另一種能夠抵抗量子攻擊的密碼學，這個新的量子安全區塊鏈將通過使用后量子數字簽名方案來簽署交易，從而利用一種新型密碼學，能夠抵御量子計算機的攻擊，

最近，谷歌聲稱已經實作了量子霸權，這是量子計算機發展的一個重要里程碑，量子計算可以有效地解決整數分解和離散對數等經典難題，并在解決非結構化搜索問題時表現出二次加速（超過經典演算法），這對基于復雜性的經典密碼演算法的安全性構成嚴重威脅這些問題中，而隨著 RSA-240 的因式分解最近被公布，一個 240 位十進制數字或 795 位的 RSA 數，以及求解相同大小的離散對數，

隨著計算機硬體性能的不斷提高，這種型別的新記錄不斷重繪，在量子計算時代，可靠的資訊安全機制有兩種：一種是量子密碼學，主要包括量子密鑰分發（QKD）；另一種是后量子密碼學（PQC），如基于格的密碼學和基于代碼的密碼學，目前已知的量子計算演算法無法有效破解，

而量子時代保證區塊鏈的方式是使用量子密鑰分發（QKD）， QKD 使用量子物理定律來確保資訊論（無條件）安全，量子密鑰分發（QKD）可以在由量子通道（用于傳輸量子態）和公共經典通道（用于后處理程式）連接的兩方之間生成密鑰，已經進行了許多實驗來證明 QKD 網路增強安全性的有效性，

人們對量子密鑰分發 (QKD) 的效用有所保留，QKD 看起來違反直覺，因為它們依賴于節點之間的信任，而區塊鏈的一個主要特征是缺乏信任，因此，該論點也適用于， 由于量子密鑰分發 (QKD) 需要經過身份驗證的經典通道進行操作，因此不能用于身份驗證，

但是， QKD 通過確保對于每個 QKD 通信會話，生成大量共享秘密資料并用于后續通信會話中的身份驗證來彌補這一點， 這意味著，通信雙方在第一次 QKD 會話之前共享的初始少量“種子”秘密密鑰，確保了未來所有通信的安全認證，因此，量子密鑰分發可以有效地代替經典數字簽名，

總結

區塊鏈解決方案中可能還會出現更多漏洞， 然而，目前的狀態是量子計算可能成為主要威脅，后量子密碼學是有效的解決方案，可以幫助確保區塊鏈網路仍然可靠，為了繼續推進位元幣和加密，已經有一些硬體和軟體創新來提高這些解決方案的安全性和關鍵功能，

當量子計算成為主要威脅時，但是有了量子安全的區塊鏈解決方案，對癥下藥，我們就不必恐慌，

（本文理論部分參考科學領域深度期刊 Sciencedirect ）