加密貨幣中的量子計算威脅是什麼？它如何影響區塊鏈安全？

量子計算機通過破壞SHA-256和ECDSA等加密算法來威脅加密貨幣安全，從而實現交易偽造和盜竊；但是，該行業正在積極開發抗量子的密碼學來減輕這種風險。

2025/02/26 16:54

加密貨幣中的量子計算威脅是什麼？它如何影響區塊鏈安全？

要點：

• 量子計算機功能：與經典計算機不同，量子計算機利用量子力學對特定類型的問題的速度更快地執行計算。這種速度優勢對基於許多加密貨幣的加密算法構成了重大威脅。
• 對加密哈希的影響：許多區塊鏈依靠加密哈希功能（如SHA-256）來進行安全性。量子計算機可能會破壞這些功能，從而使惡意參與者可以進行交易，操縱區塊鏈並可能竊取加密貨幣。
• 對數字簽名的威脅：數字簽名，對於驗證交易真實性和所有權至關重要，也很脆弱。量子算法可以有效打破廣泛使用的簽名方案，例如ECDSA，使數字資產不安全。
• 對共識機制的影響：雖然對工作證明（POW）等共識機制的影響不那麼直接，但潛在的加密組件仍然很脆弱。受損的加密系統可能會破壞共識，並可能導致區塊鍊或妥協。
• 緩解策略：加密貨幣行業正在積極研究和開發抗量子的密碼學（量子後加密術或PQC），以應對這些威脅。這涉及過渡到被認為是安全的算法，即使是針對量子計算機攻擊也是安全的。
• 時間軸不確定性：量子計算機何時構成實際威脅的確切時間表仍然不確定。但是，潛在的後果足夠嚴重，可以保證主動措施。
• 了解量子計算的優勢：

量子計算機基於與古典計算機的根本不同原理運行。經典計算機將信息存儲為位，代表0或1。量子計算機使用Qubits，可以同時代表0、1或同時疊加。這種疊加與其他量子現象相結合，例如糾纏，使量子計算機可以同時探索多種可能性。對於某些計算問題，這會導致指數加速。雖然量子計算機不會完全替換古典計算機（它們並不是普遍更快），但它們解決了特定問題的能力，尤其是那些涉及分解和離散對數的問題（對許多加密算法至關重要），這使它們成為了重大威脅。 Shor's算法等算法的純粹複雜性可以有效地考慮量子計算機上的大量數量，與在經典計算機上這樣做的不可行性形成鮮明對比。計算能力的這種差異直接轉化為破壞當前使用的加密方案的能力。考慮使用經典計算機打破RSA加密所需的巨大資源和時間 - 量子計算機理論上可以在合理的時間範圍內更快地完成此任務。計算能力的這種巨大差異對各種加密系統的安全性，包括在加密貨幣空間中使用的差異。快速考慮大量數量的能力直接影響了許多公共鑰匙加密算法（例如RSA）的安全性，如RSA，目前廣泛用於保護在線交易和數據。這種有效地解決計算困難問題的能力，否則對於古典計算機來說是棘手的，突出了潛在的危險量子計算對當前的加密基礎架構的構成。量子計算機的開發和部署，即使在相對較小的規模上也將代表計算環境的重大轉變，需要採取積極的方法來減輕潛在風險。

• 量子計算對加密哈希的威脅：

加密哈希功能是區塊鏈安全的基礎。它們是單向功能，可採用輸入（數據塊）並產生固定尺寸的輸出（哈希）。這些功能設計為具有碰撞的功能（這在計算上是不可行的，可以找到兩個產生相同哈希的不同輸入）和抗圖像前的耐藥性（這意味著在計算上只能找到僅給定哈希的輸入）。許多區塊鏈，例如比特幣和以太坊，都在很大程度上依賴於SHA-256（安全哈希算法256位）或類似的哈希功能，以確保區塊鏈的完整性和不變性。每個塊的哈希人鏈接到上一個塊的哈希，創建了一個鏈條。在一個塊中更改一個數據也會改變其哈希，打破鏈並使更改立即檢測到。但是，這些哈希功能的安全性在於假設它們在計算上很難反向工程或查找碰撞。量子計算機具有更快地進行計算的能力，威脅到這一假設。儘管仍在研究量子計算對SHA-256的確切影響，但使用量子算法發現碰撞或圖像前的可能性顯著更高。這可能會使惡意演員能夠創建欺詐性障礙，在區塊鏈上重寫歷史，甚至進行雙重支出攻擊。這些含義是深遠的，因為它可能會損害整個區塊鏈的完整性以及基於其建立的加密貨幣的價值。挑戰不僅在於理論上的可能性，還在於實施量子算法以破壞這些哈希功能的實際可行性。更強大的量子計算機的開發以及旨在針對加密哈希功能的量子算法的改進是確定這種威脅的實際時間表的關鍵因素。量子計算和量子後密碼學的持續研究對於有效理解和緩解這種風險至關重要。

• 數字簽名的脆弱性：

數字簽名是區塊鏈安全的另一個關鍵組成部分。它們用於驗證交易的真實性和完整性。數字簽名在數學上證明了特定用戶簽署了特定交易。這是使用公用密碼學實現的。每個用戶都有一對密鑰：一個私鑰（保密）和一個公共密鑰（公開共享）。私鑰用於為交易創建數字簽名，而公共密鑰用於驗證簽名。加密貨幣中廣泛使用的簽名方案，例如ECDSA（橢圓曲線數字簽名算法），依賴於解決橢圓曲線離散對數問題的困難。對於古典計算機來說，這個問題在計算上很難。但是，Shor的算法是一種量子算法，可以有效地解決此問題。這意味著一台足夠強大的量子計算機可以偽造數字簽名，使惡意演員能夠花費他們不擁有的加密貨幣，假冒合法用戶或操縱交易而無需檢測。這些含義是嚴重的，可能破壞了基於區塊鏈系統的整個信任和安全模型。建立數字簽名的能力可能會導致廣泛的欺詐，盜竊和對加密貨幣的信心喪失。對抗量子簽名方案的過渡對於減輕這種威脅至關重要。對量子攻擊具有抵抗力的新簽名算法的開發和實施是確保加密貨幣和區塊鏈技術未來的重要步驟。在這種情況下，集中於量子後加密的研究和發展工作至關重要，為更安全和彈性的加密基礎設施提供了一條途徑。

• 量子計算對共識機制的影響：

儘管諸如工作證明（POW）和驗證證明（POS）之類的共識機制並未以與哈希函數或數字簽名相同的方式直接針對量子算法，但它們仍然依賴於易受傷害的加密組件。例如，工作證明涉及解決計算密集的加密難題。儘管量子計算機可能不太容易解決難題，但是拼圖中使用的潛在加密哈希功能很脆弱。這些哈希功能的妥協可以使惡意參與者能夠操縱採礦過程，從而導致雙重支出攻擊或鏈條重組。另一方面，驗證證明依賴於驗證者，這些驗證者將其加密貨幣固定來確保網絡。此過程的安全性取決於驗證者用於簽名塊的數字簽名的完整性。如果量子計算機可以有效打破這些數字標記，則可能會損害整個共識機制。破壞的可能性很大，因為它可能導致網絡不穩定性，叉子甚至通過惡意演員對區塊鏈的完全控制。因此，共識機制的安全性受到基礎加密算法的量子威脅間接影響。抗量子加密的需求擴展到了區塊鏈安全的各個方面，包括支持共識機制的算法。對抗量子替代方案的過渡對於確保區塊鍊網絡的長期生存能力和安全性至關重要。

• 緩解策略：過渡到量子後密碼學：

加密貨幣行業正在積極致力於通過開發和實施後量子加密術（PQC）來減輕量子計算威脅。 PQC是指據信，即使在量子計算機的攻擊中也是安全的，這些算法也被認為是安全的。這些算法基於數學問題，這些問題對於經典計算機和量子計算機都很難。目前正在研究和標準化幾種有希望的PQC算法，包括基於晶格的密碼學，基於代碼的密碼學，多元密碼學和基於哈希的密碼學。向PQC的過渡涉及多個步驟：

• 算法選擇：選擇合適的PQC算法，為特定應用程序提供必要的安全級別和性能。
• 實施：將PQC算法開發和集成到現有的區塊鏈系統和加密庫中。
• 測試和驗證：對PQC實施的嚴格測試和驗證，以確保其安全性和可靠性。
• 標準化：行業利益相關者之間的合作，以建立PQC廣泛接受的標準。
• 遷移：逐漸將現有區塊鏈系統和應用遷移到PQC。

這個過程很複雜，需要研究人員，開發人員和整個加密貨幣社區的巨大努力。完全過渡到PQC的時間表尚不確定，但是積極的措施對於減輕未來風險至關重要。 PQC的集成不是一個簡單的升級，而是一項需要仔細計劃和協調的重要工作。

常見問題解答：

問：量子計算機何時會對加密貨幣構成真正的威脅？

答：確切的時間表不確定。大規模耐斷層量子計算機的發展仍處於早期階段。但是，專家認為這可能是多年的，而不是數十年。積極的措施是為應對這種潛在威脅做準備的必要措施。

問：所有加密貨幣是否同樣容易受到量子計算的影響？

答：漏洞取決於使用的加密算法。依靠ECDSA或SHA-256等算法的加密貨幣比使用已經抗量子的算法的加密貨幣更脆弱（儘管這些算法仍然很少見）。

問：成功的量子攻擊對加密貨幣有什麼經濟後果？

答：後果可能是毀滅性的，有可能導致加密貨幣價值的巨大損失，廣泛的欺詐以及對區塊鏈技術的信任的重大侵蝕。

問：是否有可能完全保護加密貨幣免受量子計算攻擊？

答：完全保護很難保證。但是，過渡到量子後加密術會大大降低風險。沒有加密系統是完全安全的，但目標是使攻擊的成本過高。

問：政府法規在解決對加密貨幣的量子計算威脅方面起著什麼作用？

答：政府可以在促進PQC的發展和採用，制定標準以及調節脆弱的加密算法的使用方面發揮重要作用。國際合作至關重要。

問：後量子加密的當前研究狀態是什麼？

答：該領域正在積極發展，其中有幾種有希望的算法正在開發和標準化中。但是，正在進行的研究以評估其長期安全性和績效。