[논문 리뷰] Bitcoin and quantum computing

Louis Tessler, Tim Byrnes|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 12.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 6인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 양자 컴퓨팅이 블록체인의 채굴, 보안, 프로토콜 분할 세 영역에서 비트코인에 미치는 잠재적 영향을 분석한다. 최근의 양자 컴퓨터는 비트코인의 암호 기반 원리, 특히 해시 함수와 디지털 서명을 해독하기 위해 필요한 높은 큐비트 수와 알고리즘 발전을 고려할 때 최소한의 위협을 가진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 컴퓨팅이 비트코인의 핵심 암호 기반 메커니즘에 미치는 위협을 평가하기 위해.
• 양자 컴퓨터가 디지털 서명이나 해시 함수를 해독함으로써 비트코인의 보안을 위협할 수 있는지 평가하기 위해.
• 양자 강화 채굴의 가능성과 그가 합의 기반을 뒤흔들 수 있는지 조사하기 위해.
• 양자 공격이 프로토콜 분할이나 체인 재구성으로 이어질 수 있는지 조사하기 위해.
• 근초기 비트코인에 대한 양자 공격의 실용적 시점과 기술적 장벽을 결정하기 위해.

제안 방법

• 비트코인의 기초 암호 기반을 분석하며, 주로 SHA-256 해시 함수와 ECDSA 디지털 서명에 집중한다.
• 특히 그로버의 알고리즘과 쇼어의 알고리즘을 포함한 알려진 양자 알고리즘을 평가하여 비트코인 원리의 해독 가능성을 분석한다.
• 이러한 알고리즘을 대규모로 실행하기 위한 자원 요구 조건—특히 큐비트 수와 오류 보정—을 평가한다.
• 양자 계산을 사용하여 비트코인의 암호 기반 함수의 역행 계산 복잡도를 모델링한다.
• 클래식 공격 모델과 양자 공격 모델을 비교하여 성공적인 공격에 필요한 시간과 하드웨어를 추정한다.
• 현재 및 근초기 양자 하드웨어의 실용적 한계를 고려하여 이러한 공격을 수행하는 데 있어의 어려움을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근초기 양자 컴퓨터는 비트코인의 SHA-256 해시 함수나 ECDSA 서명을 해독할 수 있는가?
• RQ2 비트코인에 대해 실현 가능한 양자 공격을 수행하기 위해 필요한 최소 큐비트 수와 회로 깊이(큐비트 수)는 얼마인가?
• RQ3 양자 컴퓨팅은 비트코인 채굴 효율성과 합의 보안에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ4 양자 컴퓨터는 체인 재구성 또는 이중 지출 공격을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 다음 10년 내 비트코인에 대한 양자 공격을 방지하는 주요 기술적 장벽은 무엇인가?

주요 결과

• 비트코인의 암호 원리 해독을 위해서는 현재 이용 가능한 수준을 훨씬 뛰어넘는 수준의 논리 큐비트가 필요하다.
• 그로버의 알고리즘은 SHA-256의 프리이미지 검색에만 제곱근의 속도 향상을 제공하며, 실제로 비트코인의 해시 함수를 해독하는 데에는 부족하다.
• 쇼어의 알고리즘은 이론적으로 ECDSA를 해독할 수 있지만, 이는 수백만 개의 논리 큐비트를 갖춘 대규모 고장 내성 양자 컴퓨터가 구축된 경우에만 가능하다.
• 현재의 양자 하드웨어 상태와 오류 보정 능력은 근초기 비트코인에 대한 실질적 공격을 불가능하게 한다.
• 현재 알려진된 양자 알고리즘 중에서 SHA-256에 대한 효율적인 프리이미지나 충돌 공격을 가능하게 하는 것은 없다.
• 논문은 기초적인 기술적 장벽과 확장성 문제로 인해 근초기 비트코인에 대한 양자 컴퓨팅의 위협은 최소한이라고 결론 내린다.