[논문 리뷰] Quantum attacks on Bitcoin, and how to protect against them

Divesh Aggarwal, Gavin K. Brennen외 3명|RePEc: Research Papers in Economics|2017. 10. 28.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 비트코인의 양자 공격에 대한 취약성을 분석하며, 비트코인의 작업증명이 근접한 양자 컴퓨터에 비해 고속 ASIC 마이닝 속도 덕분에 상대적으로 안전한 반면, 타원곡선 디지털 서명은 높은 위험에 노출되어 있어 2027년경에는 양자 컴퓨터에 의해 쉽게 해독될 수 있음을 밝혀냈다. 저자들은 향후 블록체인 시스템의 보안을 확보하기 위해 멜로우먼트 작업증명과 양자 공격에 저항하는 서명 기법을 제안한다.

ABSTRACT

The key cryptographic protocols used to secure the internet and financial transactions of today are all susceptible to attack by the development of a sufficiently large quantum computer. One particular area at risk are cryptocurrencies, a market currently worth over 150 billion USD. We investigate the risk of Bitcoin, and other cryptocurrencies, to attacks by quantum computers. We find that the proof-of-work used by Bitcoin is relatively resistant to substantial speedup by quantum computers in the next 10 years, mainly because specialized ASIC miners are extremely fast compared to the estimated clock speed of near-term quantum computers. On the other hand, the elliptic curve signature scheme used by Bitcoin is much more at risk, and could be completely broken by a quantum computer as early as 2027, by the most optimistic estimates. We analyze an alternative proof-of-work called Momentum, based on finding collisions in a hash function, that is even more resistant to speedup by a quantum computer. We also review the available post-quantum signature schemes to see which one would best meet the security and efficiency requirements of blockchain applications.

연구 동기 및 목표

• 양자 컴퓨터가 비트코인의 핵심 암호화 원리, 특히 작업증명과 타원곡선 서명에 미치는 위협을 평가하기 위해.
• 비트코인의 현재 암호화 인프라에 대한 양자 공격의 실현 가능성과 시점 평가하기 위해.
• 블록체인 응용 분야에 적합한 양자 공격에 저항하는 대안으로 멜로우먼트 작업증명과 양자 후 서명 기법을 제안하고 분석하기 위해.
• 비트코인의 현재 보안 모델을 해독할 수 있는 양자 컴퓨터가 언제 등장할지 추정하며, 특히 서명 위조의 창문 기간을 중심으로 분석하기 위해.

제안 방법

• 2015–2017년 기간의 역사적 데이터를 기반으로 비트코인 네트워크의 해시레이트와 난이도의 예상 증가를 모델링하여 향후 마이닝 저항성 예측하기 위해.
• 큐비트 수, 게이트 주파수, 게이트 오류율을 기반으로 한 양자 컴퓨터 개발 모델을 수립하며, 상한선이 있는 지수 성장을 가정하기 위해.
• 쇼어 알고리즘을 사용하여 타원곡선 암호화(ECC)를 해독하기 위해 이산 로그 문제를 푸는 데 필요한 시간을 추정하기 위해.
• 해시 충돌을 찾는 데 기반한 멜로우먼트 작업증명 기법을 분석하고, 비트코인의 하시캔트 작업증명과 비교하여 양자 속도 향상에 대한 저항성 평가하기 위해.
• 보안, 효율성, 키 크기 기준으로 블록체인 시스템에 적합한지 평가하기 위해 양자 후 서명 기법을 조사하고 평가하기 위해.
• 고장 내성 양자 계산 이론적 진전을 통합하여, 고장 내성 알고리즘에 필요한 큐비트 수와 게이트 수를 감소시키며, 시간에 따라 변화하는 오버헤드 요소를 모델링하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적의 가정 하에, 양자 컴퓨터는 비트코인의 타원곡선 디지털 서명 기법을 얼마나 빨리 해독할 수 있는가?
• RQ2 양자 컴퓨터는 비트코인의 작업증명 마이닝을 얼마나 빠르게 가속화할 수 있으며, 이 가속도는 향후 10년 내에 시스템을 붕괴시킬 정도로 충분한가?
• RQ3 멜로우먼트 작업증명 기법은 비트코인의 하시캔트 작업증명과 비교해 양자 속도 향상에 대해 얼마나 더 저항성이 있는가?
• RQ4 보안과 효율성의 균형을 고려할 때, 어떤 양자 후 서명 기법이 블록체인 시스템에 가장 적합한가?
• RQ5 고장 내성 양자 컴퓨터가 비트코인의 현재 암호 보안을 해독할 수 있는 시점은 언제인가?

주요 결과

• 최적의 양자 컴퓨터 개발 시나리오 하에서, 양자 컴퓨터는 비트코인의 타원곡선 서명 기법을 10분 이내로 해독할 수 있으며, 이는 비트코인 블록 시간과 동일한 수준이며, 2027년경에는 가능할 수 있다.
• 비트코인의 현재 작업증명 메커니즘은 근접한 양자 컴퓨터조차도 ASIC 마이너보다 훨씬 빠른 속도를 기록하므로, 양자 속도 향상에 대해 상대적으로 저항성이 있다.
• 해시 충돌을 찾는 데 기반한 멜로우먼트 작업증명 기법은 비트코인의 하시캔트 작업증명보다 더 낮은 양자 속도 향상을 보이며, 따라서 양자 공격에 더 강건하다.
• 양자 컴퓨터 개발은 두 가지 시나리오로 모델링되었다: 최적(큐비트 수 10개월마다 두 배, 게이트 주파수 최대 50GHz)과 비최적(20개월마다 두 배, 최대 5GHz), 게이트 오류율은 최적 시나리오에선 5×10⁻⁶, 비최적 시나리오에선 5×10⁻⁵로 예상된다.
• 이론적 진전으로 인해 고장 내성 양자 알고리즘의 오버헤드가 연간 0.75(최적) 또는 0.85(비최적)의 비율로 감소할 것으로 기대되며, 이는 대규모 양자 공격의 실현 가능성 향상에 기여한다.
• 양자 후 서명 기법은 실현 가능한 대안로 확인되었지만, 블록체인 환경에서 성능과 키 크기의 상호 교환 조건을 신중히 평가할 필요가 있다.