[论文解读] 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 12

一句话总结

本文从挖矿、安全性和协议分叉三个领域分析了量子计算对比特币的潜在影响。研究结论认为，由于需要极高数量的量子比特和算法进步，短期内量子计算机对比特币加密原语（尤其是其哈希函数和数字签名）构成的威胁极小。

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.

研究动机与目标

• 评估量子计算对比特币核心加密机制构成的威胁。
• 评估量子计算机是否可通过破解数字签名或哈希函数来威胁比特币的安全性。
• 研究量子增强型挖矿的可行性及其对共识机制的潜在破坏。
• 调查量子攻击是否可能导致协议分叉或链重组。
• 确定在未来一段时间内对比特币实施量子攻击的实际时间表和技术障碍。

提出的方法

• 分析比特币底层密码学，重点关注SHA-256哈希函数和ECDSA数字签名。
• 评估已知的量子算法，特别是Grover算法和Shor算法，对破解比特币原语的潜力。
• 评估运行这些算法所需的大规模资源，特别是量子比特数量和错误纠正要求。
• 使用量子计算建模比特币加密函数的可逆计算复杂度。
• 比较经典攻击模型与量子攻击模型，估算成功攻击所需的时间和硬件。
• 考虑当前及未来短期内量子硬件的实际限制，评估其执行此类攻击的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 短期内的量子计算机能否破解比特币的SHA-256哈希函数或ECDSA签名？
• RQ2 对比特币实施可行的量子攻击所需的最小量子比特数和电路深度是多少？
• RQ3 量子计算将如何影响比特币挖矿效率和共识安全性？
• RQ4 量子计算机是否能实现链重组或双花攻击？
• RQ5 未来十年内阻止对比特币实施量子攻击的关键技术瓶颈是什么？

主要发现

• 量子计算机需要远超当前可用数量的逻辑量子比特，才能破解比特币的加密原语。
• Grover算法仅能为SHA-256的原像搜索提供二次加速，这在实践中不足以破解比特币的哈希函数。
• Shor算法理论上可破解ECDSA，但前提是必须构建出具备数百万个逻辑量子比特的大规模容错量子计算机。
• 当前量子硬件和错误纠正技术的发展水平，使得对比特币的实用化攻击在短期内不可行。
• 目前尚无已知的量子算法能够高效地对SHA-256（比特币核心哈希函数）实施原像或碰撞攻击。
• 本文结论认为，由于存在根本性的技术与可扩展性障碍，量子计算对比特币在短期内构成的威胁极小。