解读区块链技术对量子攻击的脆弱性以及量子安全区块链的解决方案

比特币可能正在经历其最大的市场挑战之一，但它仍然是现代技术中最重要的创新之一。加密货币是第一种震惊世界并完全改变我们对互联网和技术的看法的数字货币。首先，比特币改变了我们对金钱和货币的看法。其次，它开始影响我们对数据和隐私的看法。现在，加密货币已经影响了我们的哲学和意识形态的人生观。
比特币将是游戏规则的变化，并将永远成为讨论突破性技术解决方案的参考点。它对金融、艺术、数字交易和数据隐私的影响是不可磨灭的，并将继续成为最有价值的加密货币之一，这也可能是人类存在的主要足迹。
然而，人们不能忘记比特币背后的底层技术，以及为什么数字货币首先具有如此多的价值。比特币的安全和数据隐私功能之所以成为可能，是因为像比特币这样的数字货币是用称为区块链技术的高度安全的技术构建的。
区块链技术是一种分散的解决方案，允许信息存储在分布式分类帐（块）上，如果链中的整个块的信息没有更改，则该信息无法更改。因此，区块链技术可以作为一个分布式分类帐，以确保所有区块链接在一起，未经网络各方同意不得修改数据。这是可能的，因为块中的信息被复制到下一块，这意味着篡改块中的信息自动意味着篡改所有块。区块链的不变性特征仍然是区块链技术的主要价值。在数据管理已成为现代技术的主要特征的现代时代，确保数据安全的能力不容低估。
然而，尽管区块链技术有着巨大的前景和潜在的应用，但现有的区块链解决方案依赖于数字签名，这使得它们很容易受到量子计算机的攻击。除了容易受到量子计算机数字攻击的脆弱性外，拥有量子计算机的矿工也有不公平的优势，因为他们可以获得更好的采矿奖励。这两个特点构成了区块链技术的主要安全性和结构缺陷，这是区块链技术进步需要纠正或改进的方面。
区块链解决方案的主要卖点是安全性和分散性。因此，必须努力确保这些区块链解决方案在这些关键领域得到改进。
比特币挖矿和椭圆曲线数字签名算法
在区块链网络中，任何成员都可以引入新的交易或账簿，只要他们附上数字签名进行身份验证和问责。这一特殊规则允许成员之间交换价值和资产。这些交易存储在每个参与者的计算机或节点上。因此，每笔新交易都与现有交易有关，并像块一样存储。然而，尽管在互联网上引入新交易有所谓的自由，但也有规则指导新块的形成和引入。这些规则或过程的本质是确保和确保块不会出现太频繁，每个参与节点都有机会验证新块的真实性。一个典型的例子是比特币。在比特币中，使用工作量证明（PoW）确保新标头的哈希值不超过一定值。这种工作量证明是为了确保任何想引入新区块的人都必须解决 NP 难题来实现的。解决了这个问题后，这个人（矿工）就会得到比特币社区的奖励。
因此，比特币的安全功能是基于难以破译或破解的加密协议。密码协议是一种使用数学函数的协议，如分解，在一个方向上很容易，但在另一个方向上很难——至少对于普通的经典计算机。在这种不对称加密中，所有者生成两个数字——一个保密的私钥和一个开放的（开放的）公钥。不对称加密的安全性是基于称为单向函数的数学原理。这一原则规定，公钥可以很容易地从私钥中导出，而不是反过来，这意味着公钥可以很容易地从私钥中生成，否则就不是。
通过使用他们的私钥，个人可以生成一个数字签名，可以由任何拥有相应公钥的人进行身份验证。这种特殊的解决方案在金融领域非常流行，以证明金融交易的真实性和完整性。因此，通过这个过程，接收人可以验证所有者拥有私钥，因此有权使用比特币。
所有这些都意味着区块链技术除了区块链解决方案的加密哈希功能外，还依赖于其计算技术的数字签名。椭圆曲线公钥密码术 (ECDSA) 或大整数分解问题 (RSA) 用于生成数字签名。
欺骗或智胜系统的唯一方法是使用公钥计算私钥。然而，所有从公钥中导出私钥的传统（经典计算）算法都需要天文数字来执行此类计算，因此不实用。唯一的例外是使用量子计算机很容易。
量子计算机-区块链技术"肉中刺"
量子计算机是一种利用量子物理学的特性和特性存储数据进行计算的机器。量子计算的基本概念是利用亚原子粒子的独特能力，使它们能够存在于多种状态（即 1 和 0）。这使得量子计算不同于传统计算。在传统计算中，计算机只能以位为单位处理信息（即信息值为 1 或 0）。量子计算机的独特质量使它们能够实现比经典计算机更好的计算。
1994年，数学家 Petr Shor 发表的量子算法被证明可以打破最常见的非对称密码算法的底层安全假设。Shor 算法可以做到这一点，因为它可以将大素数分解成两个较小的素数。

由于 RSA 系列加密依赖于这样分解大素数。Shor 算法理论上适用于足够大的量子计算机——因此，一个实际问题是最终 Shor除此之外， 算法还可以发挥作用，RSA 加密可能会被破解。这意味着任何有足够大量量子计算机的人都可以使用该算法从相应的公钥中导出私钥，从而伪造任何数字签名。这样，接收人就可以验证所有者有私钥，所以他有权花费比特币。
因此，现代加密货币中的大多数加密都是基于椭圆曲线密码学，而不是 RSA 特别是在需要 ECDSA 签名生成在比特币中。这主要是因为椭圆曲线比经典计算机中的 要好RSA 更难破解(有时是指数级)。
然而，量子计算机再次被证明是区块链技术的主要肉刺。这些计算机似乎颠覆了逻辑：只要有足够大的量子计算机； 实际破解椭圆曲线加密比破解 RSA 更容易。
量子计算机对区块链解决方案的潜在影响也延伸到比特币挖掘。这种挖掘实际上是如何工作的，量子计算从何而来？
有效的量子攻击包括在将签名交易广播到互联网后公开密钥时找到私钥。这将允许攻击者使用私钥签署新交易，并假装是密钥所有者。只要量子攻击者能够确保他们的交易在真实交易之前被放置在区块链上，他们本质上就可以窃取交易，并输出新创建的未成本交易（UTXO）导入他们选择的任何账户。很容易计算出一个量子比特 485，550， 10 GHz 时钟速度运行的量子计算机可在 30 分钟内使用 Shor 算法解决了这个问题 。与此同时，平均等待时间通常超过 30分钟。这使得这种攻击非常可行。
每当一个新区块被比特币社区创建和接受时，它的矿工就会因为开发新区块所花费的计算能力而获得比特币奖励。新形成的块必须包含一个叫做随机数的数字。nonce 有一个特殊的属性，当它与块的内容分散或数学特定的目标值。需要注意的是，hash它是将任何长度的数据集转换为特定长度的数据集的数学函数。寻找随机数的过程通常被称为采矿，这是一种获得比特币奖励的努力。nonce 和块的内容很容易显示，任何人都可以验证块。然后将块放在分布式分类帐上，并在验证后合并到区块链中。然后矿工开始在下一个块上工作。但生成随机数需要很长时间，因为唯一的方法是使用蛮力——一个接一个地尝试数字，直到找到随机数字。因此，这是一个非常大的计算过程，任务通常分配给许多分享奖励的计算机。
因此，在某些情况下，两个独立的采矿团队发现了不同的随机数量，并声明了两个不同的块。比特币协议规定，在这种情况下，已经处理过的块将被包含在链中，而另一个块将被丢弃。这一过程的漏洞是，如果一组矿工控制了网络上50%以上 的计算能力，它总是比任何拥有另一个 49% 的人更快地挖掘块。在这种情况下，它有效地控制了分类帐。
尽管研究表明，目前大多数比特币矿工使用的专用集成电路（ASICS）相对于量子计算机的速度优势应该能够在 2027 年之前保持，但这种挖掘优势的可能性仍然是一个主要问题。
Grover 的搜索算法是另一个类似的安全问题。该算法允许在计算逆散列函数时二次加速。攻击者的目标是生成与网络其他部分相同的 PoW——有效地强制与攻击者想要的任何部分达成共识（这被称为 51% 攻击）。这种攻击将允许罪犯在区块链中破坏他人的交易或阻止他们自己的支出交易。
当前的 ASIC 矿工可以执行大约18 TH/s。结合目前比特币网络的规模，基于量子的 51% 攻击暂时不可行。基于目前的 ASIC 技术和其他作者的计算表明，这种攻击最早可能发生在 2028 年。ASIC 技术的进步可能会推迟约会。
量子安全区块链应对方案
区块链迟早会被更强大的量子计算机打破吗？
唯一的解决方案是过渡到另一种能够抵抗量子攻击的密码学。新的量子安全区块链将通过使用量子数字签名方案签署交易，从而使用新的密码学来抵抗量子计算机的攻击。
最近，谷歌声称实现了量子霸权，这是量子计算机发展的一个重要里程碑。量子计算可以有效地解决经典问题，如整数分解和离散对数，并在解决非结构化搜索问题时表现出二次加速（超过经典算法），这严重威胁了基于复杂性的经典密码算法的安全性。RSA-240 因式分解最近公布， 240 十进制数字或 795 RSA 数，以及解决相同大小的离散对数。
随着计算机硬件性能的不断提高，这类新记录不断刷新。在量子计算时代，有两种可靠的信息安全机制：一种是量子密码学，主要包括量子密钥分发（QKD）；另一种是后量子密码学（PQC），例如，已知的量子计算法无法有效破解基于格的密码学和基于代码的密码学。
量子时代保证区块链的方式是使用量子密钥分发（QKD）。QKD 使用量子物理定律来确保信息论(无条件)的安全。量子密钥分发（QKD）密钥可以在量子通道(用于传输量子态)和公共经典通道(用于后处理程序)之间生成。许多实验已经证明 QKD 网络提高了安全性的有效性。
量子密钥分发 (QKD) 保留了效用。QKD 似乎违背了直觉，因为它们依赖于节点之间的信任，而区块链的主要特征之一是缺乏信任。因此，这一论点也适用于量子密钥分发 (QKD) 经典的身份验证通道需要操作，因此不能用于身份验证。
但是，QKD通过确保每个 QKD 通信会话生成大量共享秘密数据，用于后续通信会话的身份验证。这意味着双方第一次通信 QKD 会话前共享的初始少量种子密钥确保了未来所有通信的安全认证。因此，量子密钥分发可以有效地取代经典的数字签名。
总结
区块链解决方案可能会有更多的漏洞。然而，目前的状态是量子计算可能成为主要威胁，量子密码学是一个有效的解决方案，有助于确保区块链网络仍然可靠。为了继续推广比特币和加密，一些硬件和软件创新提高了这些解决方案的安全性和关键功能。
当量子计算成为主要威胁时，但有了量子安全的区块链解决方案，我们就不恐慌。

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