量子計算將如何影響區塊鏈安全？

量子計算對加密協議的威脅

1. 當前的區塊鏈系統嚴重依賴ECDSA（橢圓曲線數字簽名算法）等加密算法來保護交易並控制數字資產的所有權。由於解決離散對數問題的計算困難，這些協議被認為對經典計算機是安全的。然而，量子計算機利用肖爾算法，可以以指數速度更快地解決這些數學問題。這種功能破壞了大多數區塊鍊網絡中使用的公鑰加密的基礎。

2. 一旦足夠強大的量子計算機可用，它們就可以從交易廣播期間暴露的公鑰中獲取私鑰。在許多區塊鏈中，用戶的公鑰在發起交易時會被洩露。支持量子的對手可以攔截這些數據並對相應的私鑰進行逆向工程，從而實現未經授權的資金訪問。

3. 威脅不僅限於交易級漏洞。智能合約、多重簽名錢包和去中心化身份系統也依賴於非對稱加密。量子攻擊可能會損害長期合同或在許可網絡內進行假冒，從而導致信任和完整性的系統性破壞。

4. 即使使用基於哈希的函數的區塊鏈也不能完全免疫。雖然像 SHA-256 這樣的哈希算法由於 Grover 的算法僅提供二次加速而相對更具抵抗力，但在優化的量子搜索方法下，重複的應用程序或較弱的實現仍然可能容易受到攻擊。

後量子密碼學整合努力

1. 為了應對這些威脅，研究人員和區塊鏈開發人員正在積極探索後量子密碼學（PQC）。這些加密方案旨在抵禦經典攻擊和量子攻擊。基於格、基於代碼、多元和基於哈希的簽名方案是正在測試集成到區塊鏈協議中的主要候選方案之一。

2. 一些區塊鏈項目已經開始嘗試混合模型——將傳統 ECDSA 簽名與 XMSS 或 SPHINCS+ 等抗量子替代方案相結合。這些方法允許逐步遷移，而不會在過渡階段犧牲當前的安全假設。

3. NIST 等標準化機構正在最終確定 PQC 標準，這將指導區塊鏈工程師選擇經過審查和可互操作的解決方案。這些標準的採用確保不同的網絡能夠保持兼容性，同時增強抵禦未來量子威脅的能力。

4. 實施挑戰依然嚴峻。後量子簽名通常需要更大的密鑰大小和更高的計算開銷，從而影響交易吞吐量和存儲要求。區塊鏈必須平衡安全升級與性能限制，尤其是在節點資源有限的去中心化環境中。

對共識機制和網絡架構的影響

1. 除了密碼學之外，量子計算還可能影響共識機制。依賴於暴力哈希的工作量證明（PoW）可以從採礦實體使用的量子退火設備中獲得效率提升。如果量子礦工取得主導地位，他們可能會通過集中算力來破壞網絡去中心化。

2. 權益證明（PoS）系統不太容易受到直接量子挖礦優勢的影響，但面臨與密鑰暴露相關的風險。重複簽署區塊的驗證者會暴露他們的公鑰，從而增加漏洞窗口。網絡可能需要強制執行頻繁的密鑰輪換或採用前向安全簽名方案來減輕這種風險。

3. 如果具有量子能力的參與者通過受損的身份或偽造的提案來操縱投票結果，去中心化的治理模型可能會受到影響。隨著攻擊面的擴大，確保消息的真實性和參與者的合法性變得至關重要。

4. 抗量子鍊和傳統鏈之間的互操作性帶來了複雜性。跨鏈通信協議必須跨不同的加密範例驗證簽名，需要強大的驗證層和潛在的中間中繼來防止降級攻擊。

常見問題解答

是什麼使得 ECDSA 容易受到量子攻擊？ ECDSA 依賴於橢圓曲線離散對數問題，這對於經典計算機來說計算起來很困難。運行Shor算法的量子計算機可以有效地解決這個問題，允許攻擊者根據已知的公鑰計算出私鑰，從而打破安全模型。

所有區塊鏈都同樣面臨量子計算的風險嗎？不會。在交易過程中頻繁重複使用地址或暴露公鑰的區塊鏈面臨更高的風險。支持在支出之前隱藏公鑰的地址格式的網絡，或者那些已經集成抗量子簽名的網絡，在減輕早期量子威脅方面具有結構性優勢。

量子計算能立即打破Bitcoin嗎？目前還沒有。現有的量子計算機缺乏足夠的量子位和糾錯能力，無法以破解 Bitcoin 密碼學所需的規模運行 Shor 算法。然而，一旦大規模量子機器出現，任何與已知公鑰關聯的 Bitcoin UTXO（例如來自已用交易的公鑰）理論上都容易受到攻擊。

什麼是抗量子賬本？抗量子賬本採用加密原語，可以抵禦量子攻擊。示例包括基於散列的簽名或格密碼學。 QANplatform 和 IOTA 等項目已經採用了此類技術，以確保其網絡具備面向未來的量子解密功能。