量子计算十年内无法破解比特币

在量子计算突飞猛进的今天，很多人开始担心量子霸权对全球信息系统的主要加密算法，包括比特币网络所依赖的椭圆曲线算法的威胁。

近日，马克韦伯等学者在《AVS量子科学》上刊登的一篇研究论文显示，要想在有效时间段内破解比特币网络的256位椭圆曲线加密算法，需要量子计算机至少拥有3.17亿个量子位，而当今最先进的IBM的超导量子计算机，也仅仅只有127个量子位。即使量子计算机的量子位数或性能以摩尔定律增长，十年内也难以撼动比特币。

V神：哈希值在量子计算机中生存得很好:金色财经报道，以太坊联合创始人Vitalik Buterin发推表示，你们中的许多人都把这个问题搞错了。使用肖尔算法的量子计算机完全打破了椭圆曲线。哈希值（如SHA256）在量子计算机中生存得很好，尽管安全性有所下降，建议使用更长的哈希值长度。[2022/9/5 13:08:27]

比特币是第一个去中心化的加密货币，如今依然是稳定全球加密货币市场的“定海神针”。比特币的特性使其成为对冲通胀的理想工具，其供给率是已知的，随着时间的推移而降低，并且完全独立于需求。此外，比特币区块链的去中心化特性使其具有抗审查性，并且可以以无需信任的方式运行。

三家机构联合开发可抵御量子计算攻击的区块链:8月10日消息，美洲开发银行及其旗下创新实验室IDB Lab与剑桥量子公司（CQ）和墨西哥蒙特雷理工学院确定并解决了量子计算机开发对区块链网络构成的潜在威胁。针对这些威胁，该项目团队开发了一种加密层，可让区块链网络保护自身免受此新一代计算技术的影响。目前，人们确定了区块链网络的四个潜在威胁领域，包括网络节点之间的通信和数字签名交易的完整性每个威胁领域都依赖于易受量子计算机攻击的密码和密钥，需要实施改进方可确保区块链网络的安全性与完整性。为应对这些威胁，人们基于以太坊技术，在LACChain Besu区块链网络上开发了一种能够保护网络并抵御量子计算机攻击的后量子加密层通过剑桥量子公司IronBridge平台提供的防量子攻击密钥，对各种交易和通信进行保护该平台使用量子计算机来生成经验证的熵。（美通社）[2021/8/10 1:46:38]

量子计算机可能以两种主要方式对比特币网络构成威胁。第一个也是难度最大的威胁是对工作量证明机制的威胁，为此，量子计算机可以使用Grover算法在SHA256协议的散列上实现二次加速。在可预见的未来，量子计算的算法加速不太可能弥补相对于最先进的经典计算，显著较慢的时钟周期时间。

密码学博士高承实：量子计算机大规模应用将对非对称密码算法和哈希函数带来致命性的影响:密码学博士，计算机应用专业副教授高承实发表《量子计算机的应用会颠覆掉比特币系统吗？》专栏文章，文章表示，量子计算机从发展状况来看，还处于极其早期阶段，离真正实用还有相当远的距离。如果量子计算机真正能够大规模应用，将对密码算法当中的非对称密码算法和哈希函数带来致命性的影响。现在基于数学难解问题而生成的非对称密码算法RSA和ECC安全性将不复存在，哈希函数的抗碰撞性也将受到极大挑战，除非尽可能增加哈希函数的输出长度。目前的非对称密码，主要是ECDSA和哈希函数SHA256，是比特币系统最核心的底层技术，确保了比特币分配和支付的安全，在比特币系统的多个环节得到了应用，包括生成钱包地址、对交易进行签名和验证、计算区块内所有交易的默克尔数生成区块以保证块内数据难以被篡改、激励矿工开展挖矿竞赛以维护系统的自运行……如果ECDSA和SHA256两种算法的安全性不复存在，那么整个比特币系统的安全性也将不复存在。

当然我们也没有必要那么悲观。第一，量子计算机的真正使用还有相当远的距离；第二，随着量子计算以及量子计算机的发展，抗量子计算的密码算法也会同步得到发展，比如格密码。

真的到了那个时候，或者比特币系统中的密码模块会替换为抗量子计算的密码模块，或者比特币已经完成它的历史使命，从这个世界上消亡。（财新）[2020/12/24 16:21:46]

第二个也是更严重的威胁是对签名的椭圆曲线加密的攻击。比特币使用椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)，该算法依赖于椭圆曲线离散对数问题(ECDLP)的难度，不过Shor算法使得量子计算机解决该问题的速度获得指数级的提升。

动态 | 数字货币教父David Chaum公布一种可以抵抗量子计算机攻击的新型加密货币:据Cointelegraph消息，eCash创始人，数字货币教父David Chaum公布了一种新型加密货币产品Praxxis，他表示这种货币可以抵抗量子计算机的攻击。[2019/8/21]

比特币使用ECDSA在执行交易时使用的公钥和私钥之间进行转换，在安全的比特币交易中，比特币公钥可被窃听的唯一时间窗口是在交易被广播到网络之后但在其在区块链中被接受之前。在此窗口中，交易在“内存池”中等待一段时间，具体取决于支付的费用；此过程所需的时间平均为10分钟，但通常可能需要更长的时间。Gidney和Eker估计，破解RSA加密需要20×106个量子位。

上图：破解比特币256位椭圆曲线加密所需的物理量子比特位数

作者指出，在特定的时间范围内，代码周期时间和可实现的物理量子比特的数量可能会因硬件类型而异。在设想容错实现时，需要根据对空间或时间的偏好做出许多决定。在这项工作中，研究者比较了并行化的表面代码策略和AutoCCZ，后者的资源估算低于前者，两种策略都可以“空间换时间”的堆砌方式，将量子计算的理论加密破解速度提升到其反应极限。

例如，研究者根据最新的算法和表面代码策略估算，要想在10天内破解RSA加密，如果基本误差为103，需要一个拥有6.5亿个量子位，占地面积位3600平米的量子计算机。

研究者将同样方法应用于测算破解256椭圆曲线公钥加密所需的逻辑资源。结果显示，在比特币交易公钥暴露的一小时内破解加密所需的物理量子比特数可量化为代码周期时间和基本物理错误率的函数。要想在一天内破解比特币交易公钥，需要13x106个物理量子比特位，但是，正如前文所述，要想真正有效破解比特币交易密钥需要在1小时内完成公钥破解，这需要大概3.17亿个量子位！如果将基础物理错误率调高至更乐观的104，仍需要3300万个量子位！

而当今最先进的量子计算机，IBM的超导量子计算机也只有127个物理量子位。

如此庞大的量子计算资源需求意味着比特币网络将在多年内免受量子计算攻击。

研究者指出，即便新的量子计算技术，例如更灵活的物理量子比特连接技术取代今天的纠错技术，能够显著降低对物理量子位数量的要求，也必须考虑随之产生的较低的逻辑运算率。此外，比特币网络也可以采用抗加密方法执行软分叉来消除这种威胁，但这也可能存在与切换相关的严重扩展问题。

论文地址：

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

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