加密货币中的量子计算威胁是什么？它如何影响区块链安全？

Quantum computers threaten cryptocurrency security by potentially breaking cryptographic algorithms like SHA-256 and ECDSA, enabling transaction forgery and theft; however, the industry is actively developing quantum-resistant cryptography to mitigate this risk.

2025/02/26 16:54

加密货币中的量子计算威胁是什么？它如何影响区块链安全？

要点：

量子计算机功能：与经典计算机不同，量子计算机利用量子力学对特定类型的问题的速度更快地执行计算。这种速度优势对基于许多加密货币的加密算法构成了重大威胁。
对加密哈希的影响：许多区块链依靠加密哈希功能（如SHA-256）来进行安全性。量子计算机可能会破坏这些功能，从而使恶意参与者可以进行交易，操纵区块链并可能窃取加密货币。
对数字签名的威胁：数字签名，对于验证交易真实性和所有权至关重要，也很脆弱。量子算法可以有效打破广泛使用的签名方案，例如ECDSA，使数字资产不安全。
对共识机制的影响：虽然对工作证明（POW）等共识机制的影响不那么直接，但潜在的加密组件仍然很脆弱。受损的加密系统可能会破坏共识，并可能导致区块链或妥协。
缓解策略：加密货币行业正在积极研究和开发抗量子的密码学（量子后加密术或PQC），以应对这些威胁。这涉及过渡到被认为是安全的算法，即使是针对量子计算机攻击也是安全的。
时间轴不确定性：量子计算机何时构成实际威胁的确切时间表仍然不确定。但是，潜在的后果足够严重，可以保证主动措施。
了解量子计算的优势：

量子计算机基于与古典计算机的根本不同原理运行。经典计算机将信息存储为位，代表0或1。量子计算机使用Qubits，可以同时代表0、1或同时叠加。这种叠加与其他量子现象相结合，例如纠缠，使量子计算机可以同时探索多种可能性。对于某些计算问题，这会导致指数加速。虽然量子计算机不会完全替换古典计算机（它们并不是普遍更快），但它们解决了特定问题的能力，尤其是那些涉及分解和离散对数的问题（对许多加密算法至关重要），这使它们成为了重大威胁。 Shor's算法等算法的纯粹复杂性可以有效地考虑量子计算机上的大量数量，与在经典计算机上这样做的不可行性形成鲜明对比。计算能力的这种差异直接转化为破坏当前使用的加密方案的能力。考虑使用经典计算机打破RSA加密所需的巨大资源和时间 - 量子计算机理论上可以在合理的时间范围内更快地完成此任务。计算能力的这种巨大差异对各种加密系统的安全性，包括在加密货币空间中使用的差异。快速考虑大量数量的能力直接影响了许多公共钥匙加密算法（例如RSA）的安全性，如RSA，目前广泛用于保护在线交易和数据。这种有效地解决计算困难问题的能力，否则对于古典计算机来说是棘手的，突出了潜在的危险量子计算对当前的加密基础架构的构成。量子计算机的开发和部署，即使在相对较小的规模上也将代表计算环境的重大转变，需要采取积极的方法来减轻潜在风险。

量子计算对加密哈希的威胁：

加密哈希功能是区块链安全的基础。它们是单向功能，可采用输入（数据块）并产生固定尺寸的输出（哈希）。这些功能设计为具有碰撞的功能（这在计算上是不可行的，可以找到两个产生相同哈希的不同输入）和抗图像前的耐药性（这意味着在计算上只能找到仅给定哈希的输入）。许多区块链，例如比特币和以太坊，都在很大程度上依赖于SHA-256（安全哈希算法256位）或类似的哈希功能，以确保区块链的完整性和不变性。每个块的哈希人链接到上一个块的哈希，创建了一个链条。在一个块中更改一个数据也会改变其哈希，打破链并使更改立即检测到。但是，这些哈希功能的安全性在于假设它们在计算上很难反向工程或查找碰撞。量子计算机具有更快地进行计算的能力，威胁到这一假设。尽管仍在研究量子计算对SHA-256的确切影响，但使用量子算法发现碰撞或图像前的可能性显着更高。这可能会使恶意演员能够创建欺诈性障碍，在区块链上重写历史，甚至进行双重支出攻击。这些含义是深远的，因为它可能会损害整个区块链的完整性以及基于其建立的加密货币的价值。挑战不仅在于理论上的可能性，还在于实施量子算法以破坏这些哈希功能的实际可行性。更强大的量子计算机的开发以及旨在针对加密哈希功能的量子算法的改进是确定这种威胁的实际时间表的关键因素。量子计算和量子后密码学的持续研究对于有效理解和缓解这种风险至关重要。

数字签名的脆弱性：

数字签名是区块链安全的另一个关键组成部分。它们用于验证交易的真实性和完整性。数字签名在数学上证明了特定用户签署了特定交易。这是使用公用密码学实现的。每个用户都有一对密钥：一个私钥（保密）和一个公共密钥（公开共享）。私钥用于为交易创建数字签名，而公共密钥用于验证签名。加密货币中广泛使用的签名方案，例如ECDSA（椭圆曲线数字签名算法），依赖于解决椭圆曲线离散对数问题的困难。对于古典计算机来说，这个问题在计算上很难。但是，Shor的算法是一种量子算法，可以有效地解决此问题。这意味着一台足够强大的量子计算机可以伪造数字签名，使恶意演员能够花费他们不拥有的加密货币，假冒合法用户或操纵交易而无需检测。这些含义是严重的，可能破坏了基于区块链系统的整个信任和安全模型。建立数字签名的能力可能会导致广泛的欺诈，盗窃和对加密货币的信心丧失。对抗量子签名方案的过渡对于减轻这种威胁至关重要。对量子攻击具有抵抗力的新签名算法的开发和实施是确保加密货币和区块链技术未来的重要步骤。在这种情况下，集中于量子后加密的研究和发展工作至关重要，为更安全和弹性的加密基础设施提供了一条途径。

量子计算对共识机制的影响：

尽管诸如工作证明（POW）和验证证明（POS）之类的共识机制并未以与哈希函数或数字签名相同的方式直接针对量子算法，但它们仍然依赖于易受伤害的加密组件。例如，工作证明涉及解决计算密集的加密难题。尽管量子计算机可能不太容易解决难题，但是拼图中使用的潜在加密哈希功能很脆弱。这些哈希功能的妥协可以使恶意参与者能够操纵采矿过程，从而导致双重支出攻击或链条重组。另一方面，验证证明依赖于验证者，这些验证者将其加密货币固定来确保网络。此过程的安全性取决于验证者用于签名块的数字签名的完整性。如果量子计算机可以有效打破这些数字标记，则可能会损害整个共识机制。破坏的可能性很大，因为它可能导致网络不稳定性，叉子甚至通过恶意演员对区块链的完全控制。因此，共识机制的安全性受到基础加密算法的量子威胁间接影响。抗量子加密的需求扩展到了区块链安全的各个方面，包括支持共识机制的算法。对抗量子替代方案的过渡对于确保区块链网络的长期生存能力和安全性至关重要。

缓解策略：过渡到量子后密码学：

加密货币行业正在积极致力于通过开发和实施后量子加密术（PQC）来减轻量子计算威胁。 PQC是指据信，即使在量子计算机的攻击中也是安全的，这些算法也被认为是安全的。这些算法基于数学问题，这些问题对于经典计算机和量子计算机都很难。目前正在研究和标准化几种有希望的PQC算法，包括基于晶格的密码学，基于代码的密码学，多元密码学和基于哈希的密码学。向PQC的过渡涉及多个步骤：