中国移动-量子时代区块链技术白皮书-2020.11-16页_563kb

量子时代的区块链技术白皮书总结

核心内容概述

本白皮书由中国移动通信研究院与多所高校及研究机构联合撰写，聚焦于量子计算对区块链技术的影响，并提出应对策略。文档指出，随着量子计算技术的迅速发展，传统密码学体系将面临重大挑战，而区块链技术作为依赖密码学的新型信息处理技术，其安全性也将受到威胁。因此，有必要提前布局，构建量子安全的区块链体系，以保障未来区块链生态的稳定与安全。

主要观点

1. 量子计算的发展趋势与挑战

• 量子计算基于量子比特的叠加与纠缠特性，具有超强的并行处理能力和指数级的信息处理能力。
• 量子算法如 Shor 算法 和 Grover 算法 能够高效破解传统非对称密码算法（如 RSA、ECDSA）和对称密码算法（如 AES）。
• 研究预测，未来10年内可能实现能够破解当前密码体系的量子计算机，因此需提前进行技术准备。

2. 量子计算对密码学的影响

• 非对称密码算法（如 RSA、ECDSA）面临被量子计算破解的风险，需替换为抗量子算法。
• 对称密码算法（如 AES）虽受 Grover 算法影响，但通过延长密钥长度（如从128位延长至256位）可有效应对。
• 哈希算法（如 SHA-256、SM3）在量子计算下仍具备较高的安全性，目前未发现更高效的量子攻击方式。
• 量子随机数具备更高的随机性，可提升密钥生成的安全性。

3. 区块链与密码学的紧密关系

• 区块链依赖密码学实现信任建立、数据完整性、隐私保护、身份认证等功能。
• 非对称密码算法是区块链中用于身份认证、交易签名、背书机制等的核心技术。
• 对称密码算法用于链码数据加密，保护隐私。
• 哈希算法是构建 Merkle 树、链接区块、验证交易完整性等的重要工具。
• 随机数算法用于生成公私钥对，保障交易安全。

量子计算对区块链的影响分析

非许可区块链（如比特币）

• 接入控制：无接入控制，不受量子计算影响。
• 共识机制：基于工作量证明（PoW），使用哈希函数（如 SHA-256）进行计算，目前抗量子攻击能力较强。
• 链上数据：通过哈希链接确保数据完整性，量子计算对其威胁较小。
• 账户管理：客户端管理多个公私钥对，量子计算无法在有效时间内破解256位口令。
• 交易：使用非对称密码算法进行签名，量子计算可破解公钥，推导私钥，从而威胁交易真实性。
• 隐私保护：基于椭圆曲线的零知识证明可能被量子计算攻破。

许可区块链（如 Hyperledger Fabric）

• 接入控制：依赖 PKI 技术，量子计算可破解公钥，推导私钥，从而破坏接入控制。
• 共识机制：基于签名背书，量子计算可伪造签名，影响共识过程。
• 链上数据：同样依赖哈希算法，抗量子攻击能力较强。
• 账户管理：证书中的公钥可被 Shor 算法破解，导致账户管理失效。
• 交易：使用非对称密码算法，量子计算可伪造证书，破坏交易真实性。
• 隐私保护：零知识证明和交易通道均依赖非对称密码，量子计算可威胁其安全性。

关键信息

• 量子威胁的紧迫性：量子计算将对非对称密码算法造成颠覆性影响，需提前准备。
• 技术应对策略：
  • 引入抗量子密码算法，如基于格、码、多变量等的算法。
  • 选择公钥和签名长度较小的算法，以降低区块链存储压力。
  • 推动量子安全算法与协议的标准化，参与国际评估与制定。
  • 评估现有区块链系统对量子算法的适配性，研究系统演进与数据迁移机制。
• 未来展望：量子安全区块链的发展涉及理论、算法、标准、应用、产业、生态等多个层面，需全球协作推进。

结论与建议

• 量子计算将对区块链的安全性构成重大挑战，尤其是对非对称密码算法的依赖。
• 中国移动已开展量子安全区块链相关研究，并参与国际标准制定。
• 建议：
  1. 引入量子安全算法，构建量子安全区块链体系。
  2. 推动算法标准化，提升行业统一性与安全性。
  3. 评估现有系统对量子算法的适配性。
  4. 研究区块链向量子安全体系的演进机制。

缩略语表

参考文献（摘要）

• 习近平强调量子科技发展的重要性。
• 量子计算机在2019年已实现特定领域突破。
• MITRE 和 ITU-T 等机构已开展相关研究与威胁评估。
• NIST 正在推进后量子密码算法标准化。
• 量子计算对区块链安全构成威胁，需提前布局应对。