[論文レビュー] Bitcoin and quantum computing

Louis Tessler, Tim Byrnes|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 6被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、マイニング、セキュリティ、プロトコルフォークの3分野において、量子コンピューティングがビットコインに与える潜在的影響を分析している。近い将来の量子コンピュータは、ビットコインの暗号的プリミティブ、特にハッシュ関数とデジタル署名を破るのに必要な、非常に多数の量子ビットとアルゴリズムの進歩を要するため、最小限の脅威であると結論している。

ABSTRACT

Bitcoin is a digital currency and payment system based on classical cryptographic technologies which works without a central administrator such as in traditional currencies. It has long been questioned what the impact of quantum computing would be on Bitcoin, and cryptocurrencies in general. Here, we analyse three primary directions that quantum computers might have an impact in: mining, security, and forks. We find that in the near-term the impact of quantum computers appear to be rather small for all three directions. The impact of quantum computers would require considerably larger number of qubits and breakthroughs in quantum algorithms to reverse existing hash functions.

研究の動機と目的

• 量子コンピューティングがビットコインの核心的な暗号メカニズムに与える脅威を評価すること。
• 量子コンピュータがデジタル署名やハッシュ関数を破ることで、ビットコインのセキュリティを脅かす可能性があるかどうかを評価すること。
• 量子強化マイニングの実現可能性と、コンSENSUSに与える影響を検討すること。
• 量子攻撃がプロトコルフォークやチェーン再組織化を引き起こす可能性があるかどうかを調査すること。
• 近い将来におけるビットコインに対する量子攻撃の実用的タイムラインと技術的障壁を特定すること。

提案手法

• SHA-256ハッシュ関数とECDSAデジタル署名に注目した、ビットコインの基盤となる暗号技術を分析する。
• 特にグローバーのアルゴリズムとショアのアルゴリズムを評価し、これらがビットコインプリミティブを破る可能性を検討する。
• これらのアルゴリズムを大規模に実行するためのリソース要件（特に量子ビット数とエラー補正）を評価する。
• 量子計算を用いたビットコイン暗号関数の逆算の計算複雑性をモデル化する。
• 古典的攻撃モデルと量子攻撃モデルを比較し、成功した攻撃に必要な時間とハードウェアを推定する。
• 現在および近い将来の量子ハードウェアの実用的制限が、このような攻撃の実行を妨える点を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近い将来の量子コンピュータは、ビットコインのSHA-256ハッシュ関数やECDSA署名を破ることができるか？
• RQ2 ビットコインに対する実用的な量子攻撃を実行するための最小量子ビット数と回路深さは何か？
• RQ3 量子コンピューティングは、ビットコインマイニング効率とコンセンサスセキュリティにどのように影響を与えるか？
• RQ4 量子コンピュータは、チェーン再組織化やダブルスペンディング攻撃を可能にするか？
• RQ5 今後10年間で、ビットコインに対する量子攻撃を妨げる主な技術的障壁は何か？

主な発見

• ビットコインの暗号的プリミティブを破るには、現在の技術水準をはるかに超える数の論理的量子ビットが必要となる。
• グローバーのアルゴリズムはSHA-256のプレイメージ探索に対して二次的加速を提供するが、実際にはビットコインのハッシュ関数を破るには不十分である。
• ショアのアルゴリズムは理論的にはECDSAを破る可能性を有するが、その実現には数百万の論理的量子ビットを備えた大規模でフェイルセーフな量子コンピュータが不可欠である。
• 現在の量子ハードウェアとエラー補正技術の状態では、近い将来におけるビットコインへの実用的攻撃は不可能である。
• 現在のところ、SHA-256（ビットコインのコアハッシュ関数）に対して効率的なプレイメージ攻撃や衝突攻撃を可能にする量子アルゴリズムは存在しない。
• 本論文は、根本的な技術的・スケーラビリティの障壁があるため、量子コンピューティングは近い将来においてビットコインに対して最小限の脅威であると結論づけている。