量子计算机将在 2027 年对比特币的安全构成威胁

比特币热潮席卷全球，使任何人都可以使用分散的加密货币进行安全支付和交易。 比特币交易不会受到政府干预，运行在开放的点对点网络上，因此近年来被越来越多的人采用。

近年来，比特币价格大幅上涨。 2017年初，一枚比特币的价格约为1000美元（约新台币3万，港币7810元）。 到 2017 年 11 月，它已升至约 7,000 美元。 截至 2017 年 11 月，加密货币市场总值已达约 1500 亿美元（约新台币 4.5 万亿、1.1 万亿港元）。 然而，安全专家表示储存比特币的电脑坏掉，量子计算机的巨大计算能力将在十年内破解比特币的安全性。

比特币安全

比特币以其安全性着称。 加密货币使用难以破解的加密协议来防止其被盗或复制。 它的加密使用诸如因式分解等数学函数，这些函数易于执行但难以逆向，至少对于普通计算机而言是这样。 然而，量子计算机可以轻松破解加密协议。

世界各国都在积极发展量子计算机。 这就提出了一个紧迫的问题：未来几年比特币的安全性会不会被量子计算机破解？

近日，新加坡国立大学工程系教授Divesh Aggarwal博士的研究团队研究了量子计算机对比特币构成的威胁。 他们的研究表明威胁存在并且迫在眉睫。

比特币原理

这是对比特币如何运作的解释。 比特币交易存储在分布式账本中，用于记录一定时间内（通常为10分钟）内的所有交易。 该集合称为“块”。 它还包含前一个块的哈希值（hash储存比特币的电脑坏掉，是一种数学函数，可以将任意长度的数据集转换成一组固定长度的字符串），每个块都链接到前一个块的哈希值，形成链式结构，故称区块链（blockchain）。

新块还必须包含一个称为 nonce 的数字，它具有特定的属性。 当这个随机数被转换成哈希值，或者与区块内容进行数学结合时，结果必须小于一个特定的目标值。

这些区块的内容很容易获得，允许任何人验证区块，但是生成随机数非常耗时。 唯一的办法就是使用蛮力法，不断地任意尝试，直到找到正确的值。 这个寻找随机数的过程称为“挖矿”，奖励就是获得比特币奖励。 挖矿需要大量的电脑算力，通常是多台电脑同时挖矿。

区块被放置在去中心化的分类账上，一旦经过验证，它们就会被整合到区块链中，矿工们继续前进到下一个区块。 如果两组矿工找到不同的随机数，生成两个不同的区块，根据比特币协议，在这种情况下，做更多工作的区块将被整合到区块链中，而另一个区块将被丢弃。

拥有绝对算力的矿工可以为所欲为

但是这个过程有一个致命的弱点。 如果一群矿工控制了区块链网络 50% 以上的算力，那么它的挖矿效率将始终高于其他 49% 的矿工。 在这种情况下，这群矿工有效地控制了账本。

拥有绝对算力的矿工可以修改交易记录，进行恶意活动，甚至可以为所欲为！

ASIC 仍然比量子计算机具有速度优势

Aggarwal 博士和他的研究团队研究了量子计算机在区块链网络上实现绝对计算能力的可能性。 他们研究了未来10年量子计算机的计算速度，并将其与传统计算机硬件的计算能力进行了比较。

研究团队表示，大多数矿机使用的是 NAVIDIA 制造的“专用集成电路”（application-specific integrated circuits，简称 ASICs），这种硬件在未来十年内可能比量子计算机具有速度优势。 这个结论让世界各地的比特币矿工松了一口气。

研究团队补充说：“我们发现比特币使用的工作量证明机制受未来十年量子计算机计算速度显着提升的影响较小，主要符合量子计算机在不久的将来。相对于速度，采用ASIC的矿机，其计算速度还是非常快的。”

量子计算机可以轻松破解比特币的数字签名

但另一个令人担忧的威胁是，比特币具有另一种安全加密功能，可确保只有硬币的持有者才能进行交易。

比特币的安全加密方式是持币者会生成两把钥匙，一把是私钥，一把是公钥。 公钥可以很容易地从私钥生成，但是私钥很难从公钥生成。 在交易过程中，在不公开私钥的情况下，使用数字签名来验证持有者是否持有私钥。 这种技术被称为“椭圆曲线数字签名算法”（简称ECDSA））

使用这种技术，接收者可以验证硬币的持有者是否持有私钥，因此有权使用比特币。 破解这项技术的唯一方法是使用公钥计算私钥，这对于常规计算机来说是非常困难的，但是用量子计算机就很容易破解。

这是量子计算机给比特币带来的最大威胁。 Aggarwal博士说：“比特币使用的椭圆曲线数字签名算法存在很多风险，这种加密方式最快可能在2027年被量子计算机彻底破解。” 事实上，目前常见的加密算法大多采用了类似的技术，因此量子计算机可能会对更多的加密技术构成安全威胁。

我们还建议科学家开发51个量子位来实现“量子至上”的量子计算机。 比特币更安全吗？

比特币一直存在争议，包括它的安全性，尽管比特币目前没有修改安全协议的计划。 然而，量子计算机仍处于发展阶段，因此比特币仍有时间重新思考其加密方式，让加密货币交易更加安全。

参考：

Divesh Aggarwal、Gavin K. Brennen、Troy Lee、Miklos Santha、Marco Tomamichel，（2017 年 10 月）。 对比特币的量子攻击，以及如何防范它们，arxiv.org/abs/1710.10377 来自 arXiv 的新兴技术，（2017 年 11 月）。 量子计算机对比特币安全构成迫在眉睫的威胁，《麻省理工科技评论》