比特幣:量子計算十年內無法破解比特幣

在量子計算突飛猛進的今天，很多人開始擔心量子霸權對全球信息系統的主要加密算法，包括比特幣網絡所依賴的橢圓曲線算法的威脅。

近日，馬克韋伯等學者在《AVS量子科學》上刊登的一篇研究論文顯示，要想在有效時間段內破解比特幣網絡的256位橢圓曲線加密算法，需要量子計算機至少擁有3.17億個量子位，而當今最先進的IBM的超導量子計算機，也僅僅只有127個量子位。即使量子計算機的量子位數或性能以摩爾定律增長，十年內也難以撼動比特幣。

V神：哈希值在量子計算機中生存得很好:金色財經報道，以太坊聯合創始人Vitalik Buterin發推表示，你們中的許多人都把這個問題搞錯了。使用肖爾算法的量子計算機完全打破了橢圓曲線。哈希值（如SHA256）在量子計算機中生存得很好，盡管安全性有所下降，建議使用更長的哈希值長度。[2022/9/5 13:08:27]

比特幣是第一個去中心化的加密貨幣，如今依然是穩定全球加密貨幣市場的“定海神針”。比特幣的特性使其成為對沖通脹的理想工具，其供給率是已知的，隨著時間的推移而降低，并且完全獨立于需求。此外，比特幣區塊鏈的去中心化特性使其具有抗審查性，并且可以以無需信任的方式運行。

元宇宙、虛擬網紅、量子計算入圍《經濟學人》2022年22大新興技術:金色財經報道，英國《經濟學人》網站發表題為《下一個是什么？2022年值得關注的22項新興技術》的文章，元宇宙、虛擬網紅和量子計算入圍。《經濟學人》指出，2022年，元宇宙被用來指代電子游戲、社交網絡與娛樂的融合，目的是創造新的沉浸式體驗，《我的世界》《堡壘之夜》等游戲都可以視為通往新興媒介的跳板。在量子計算方面，《經濟學人》稱中國團隊已經制造了一臺擁有66個量子比特的計算機；在虛擬網紅方面，《經濟學人》預計2022年將有150億美元用于網紅營銷，虛擬網紅也會迅速增多。[2021/12/5 12:52:12]

量子計算機可能以兩種主要方式對比特幣網絡構成威脅。第一個也是難度最大的威脅是對工作量證明機制的威脅，為此，量子計算機可以使用Grover算法在SHA256協議的散列上實現二次加速。在可預見的未來，量子計算的算法加速不太可能彌補相對于最先進的經典計算，顯著較慢的時鐘周期時間。

中科院自動化所副研究員：不認同量子計算對區塊鏈產生威脅的說法:中科院自動化所副研究員袁勇表示：“總體上來說，我不太認同量子計算對區塊鏈產生威脅(的說法)。”“首先，對方并沒有以發展的眼光來看待問題。量子計算和區塊鏈，或者說量子計算跟密碼學一定會呈現共生演化的趨勢，二者互相促進，不能用十年后的量子計算與現有的比特幣密碼體系相提并論。”袁勇還表示，“我相信密碼學體系和區塊鏈的技術一定會有相應的手段應對量子計算的威脅。量子計算對比特幣有威脅，但它對傳統銀行體系的威脅更大。天塌下來有個子高的頂著，以體量來說，還輪不到比特幣‘杞人憂天’。”[2018/3/21]

第二個也是更嚴重的威脅是對簽名的橢圓曲線加密的攻擊。比特幣使用橢圓曲線數字簽名算法(ECDSA)，該算法依賴于橢圓曲線離散對數問題(ECDLP)的難度，不過Shor算法使得量子計算機解決該問題的速度獲得指數級的提升。

IBM大中華區董事長陳黎明：在區塊鏈、量子計算領域，IBM當仁不讓:IBM大中華區董事長陳黎明在談到IBM新一輪的轉型時表示：“IBM這一輪的轉型始于五年前，當時定義轉型目標時是說我們要向云計算、大數據、移動、社交、安全這幾個領域轉型。隨著人工智能重新興起，區塊鏈、量子計算的潛力被認識，IBM也當仁不讓，因為IBM在這些方面有深厚的技術積淀。”[2018/3/13]

比特幣使用ECDSA在執行交易時使用的公鑰和私鑰之間進行轉換，在安全的比特幣交易中，比特幣公鑰可被竊聽的唯一時間窗口是在交易被廣播到網絡之后但在其在區塊鏈中被接受之前。在此窗口中，交易在“內存池”中等待一段時間，具體取決于支付的費用；此過程所需的時間平均為10分鐘，但通常可能需要更長的時間。Gidney和Eker估計，破解RSA加密需要20×106個量子位。

上圖：破解比特幣256位橢圓曲線加密所需的物理量子比特位數

作者指出，在特定的時間范圍內，代碼周期時間和可實現的物理量子比特的數量可能會因硬件類型而異。在設想容錯實現時，需要根據對空間或時間的偏好做出許多決定。在這項工作中，研究者比較了并行化的表面代碼策略和AutoCCZ，后者的資源估算低于前者，兩種策略都可以“空間換時間”的堆砌方式，將量子計算的理論加密破解速度提升到其反應極限。

例如，研究者根據最新的算法和表面代碼策略估算，要想在10天內破解RSA加密，如果基本誤差為103，需要一個擁有6.5億個量子位，占地面積位3600平米的量子計算機。

研究者將同樣方法應用于測算破解256橢圓曲線公鑰加密所需的邏輯資源。結果顯示，在比特幣交易公鑰暴露的一小時內破解加密所需的物理量子比特數可量化為代碼周期時間和基本物理錯誤率的函數。要想在一天內破解比特幣交易公鑰，需要13x106個物理量子比特位，但是，正如前文所述，要想真正有效破解比特幣交易密鑰需要在1小時內完成公鑰破解，這需要大概3.17億個量子位！如果將基礎物理錯誤率調高至更樂觀的104，仍需要3300萬個量子位！

而當今最先進的量子計算機，IBM的超導量子計算機也只有127個物理量子位。

如此龐大的量子計算資源需求意味著比特幣網絡將在多年內免受量子計算攻擊。

研究者指出，即便新的量子計算技術，例如更靈活的物理量子比特連接技術取代今天的糾錯技術，能夠顯著降低對物理量子位數量的要求，也必須考慮隨之產生的較低的邏輯運算率。此外，比特幣網絡也可以采用抗加密方法執行軟分叉來消除這種威脅，但這也可能存在與切換相關的嚴重擴展問題。

論文地址：

https://avs.scitation.org/doi/10.1116/5.0073075

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