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高等量子计算会对比特币安全构成威胁吗？

量子创投界

2021-10-18

导读：量子计算的快速发展可能会给某些类型的比特币交易带来风险。有一部分人预测，量子计算的快速发展将在使用公开密钥加密的领域产生重大影响，比如比特币生态系统。

量子计算的快速发展可能会给某些类型的比特币交易带来风险。那么，我们如何才能对抗这种风险呢？

有一部分人预测，量子计算的快速发展将在使用公开密钥加密的领域产生重大影响，比如比特币生态系统。

比特币的“非对称加密”是基于“单向函数”原则，这意味着公钥可以很容易地从相应的私钥派生出来，但反之则不然。这是因为传统的算法需要天文数字的时间来执行这样的计算，因此是不切实际的。然而，Peter Shor 的多项式时间量子算法运行在一个足够先进的量子计算机上，可以进行这样的推导，从而伪造数字签名。

量子计算的潜在风险

为了更好地理解高等量子计算带来的风险水平，我们将自己限制在简单的个人对个人支付上。它们可以分为两类，每一类受量子计算的影响不同:

01 Pay to public key (p2pk) : 在这里，公钥可以直接从钱包地址获得。量子计算机可能被用来获取私钥，从而允许对手在该地址上花费资金。

02 Pay to public key hash (p2pkh) : 在这里，地址由公钥散列组成，因此不能直接获得。只有在交易开始时才会披露。因此，只要资金从未从 p2pkh 地址转移过来，即使使用量子计算机也无法得到公钥和私钥。但是，如果资金从 p2pkh 地址转移，公钥就会显示出来。因此，为了限制公钥的暴露，这样的地址不应该被使用超过一次。

虽然避免重复使用 p2pkh 地址可以限制漏洞，但仍可能出现具有量子能力的对手可以成功实施欺诈的情况。即使是从一个“安全”地址转移比特币的行为，也会暴露出公钥。从那一刻起，直到交易被发现，对手就有机会偷取资金。

用量子计算攻击比特币的理论方法

01 Transaction hijacking交易劫持: 在这里，攻击者从一个待处理交易的公钥中计算私钥，并创建一个花费相同比特币的冲突交易，从而窃取受害者的资产。对手提供了更高的费用，以激励包含在区块链超过受害者的交易。必须注意的是，在攻击者的事务被挖掘之前，攻击者不仅要创建、签名和广播冲突的交易，还要首先运行 Shor 算法来获取私钥。显然，时机对于这种攻击至关重要。因此，量子计算机的性能水平决定了这种威胁载体的成功概率。

02 Selfish mining私自挖掘: 在这个潜在的攻击向量中，攻击者理论上可以使用 Grover 的算法在挖掘时获得不公平的优势。这个量子计算程序可以帮助搜索非结构化数据，并且可以提供哈希速率的二次跳跃。在突然的量子加速中快速开采的能力可能导致价格的不稳定和对链条本身的控制，导致可能的51% 的攻击。

03 Combined attacks联合攻击:结合以上两个向量，攻击者理论上可以建立一个秘密链，当处于领先地位时，有选择地发布块来重组公共链。对手也可以选择同时劫持交易。在这里，欺诈行为不仅会阻止奖励和交易费用，而且还会阻止在覆盖的交易中包含在(非量子抗性)地址中的所有资金花费。

对抗潜在量子计算攻击向量的方法

欺诈分析

数据科学工具可以用来减轻对手在机会窗口窃取资金的风险。

通过 mempool APIs收集的数据可用于运行实时机器学习算法，以发现提供的交易费用中的异常，从而标记交易劫持的企图。这样的算法还可以帮助发现区块链哈希率的急剧上升，并相应地对可能的“私自挖掘”发出警报。

动态人工智能模型可以在确认前的每一个瞬间计算未决交易的欺诈风险。这些模型可以推断出每个威胁向量的潜在利润，从而得出任何交易具有欺诈性的概率。保险产品的设计可以涵盖未决交易的欺诈风险，其定价可以根据模型推断出的欺诈概率动态计算。

此外，可以为区块链中的每个节点计算“信誉分数”（reputation score）。捕获设备细节、IP地址等的API可以用于将活动(挖掘和/或交易)集群到同质集群中，从而有很高的几率来自相同的用户。这种模式也可以用来直接检测区块链中的量子计算机。“信誉分数”可能在联合攻击的情况下具有特殊意义，因为对手会使用多矢量方法来吸走资金。

比特币的公共交易日志提供了关于用户档案的大量数据。“网络算法”可以使用这些信息链接不同的钱包地址，从而揭开协同攻击的面纱。这可以使我们将使用量子支持技术对手的钱包地址列入黑名单。

钱包界面设计

智能设计的用户界面可以帮助提醒客户重用地址的风险，通过战略放置警告消息。

共识规则

有效的激励设计原则可以用来规划共识规则的变化，比如对 p2pk 和重用 p2pkh 钱包的交易费用加价。这将促使用户转向更安全的行为。此外，这将缩短此类交易的确认时间，因为挖矿人将首先挑选这些交易，从而缩小对手的机会窗口。

总结

随着内部状态由许多量子位元组成的量子计算机的发展，可能会对比特币的底层加密保证造成威胁。即使是遵守安全最佳做法的用户，在大量比特币从不安全地址被盗的情况下也可能受到影响，从而导致价格波动加剧。用来减轻这种情况的一系列广泛后量子密码学倡议正在被提上议程。

值得注意的是，“量子霸权”的出现并不一定意味着比特币生态系统的弱化。更好的量子计算系统最终将为缓慢的经济转型提供机会。

虽然量子计算机的不对称使用阶段可能会产生多个威胁载体，但欺诈风险管理原则以及用户意识可以在未来帮助为此类问题设计解决方案。