Quantum Disruption: An SOK of How Post-Quantum Attackers Reshape Blockchain Security and Performance
本文系统地概述了将区块链系统迁移至后量子密码学如何影响安全性与性能，并论证了这种转型并非简单的直接替换，而是一个复杂的工程过程，需要进行精心的架构重构，以避免破坏核心协议的稳定性并损害效率。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，互联网就像一场巨大的、全球性的“守秘密”游戏。为了参与其中，每个人都需要一把特殊的锁和钥匙。几十年来，我们一直使用一种基于数学难题的锁，这些难题极其困难，即使是世界上最快的超级计算机也需要数百万年才能破解。这些锁保护着我们的银行账户、我们的信息，甚至是被称为“区块链”的数字货币。但现在，科学家们正在制造一种新型计算机——“量子计算机”——它不仅仅是一个一个地尝试钥匙，它能同时观察所有的钥匙并瞬间找到正确的那一个。这就像拥有一把可以瞬间打开任何锁的万能钥匙。如果这些计算机变得真实且足够强大，我们今天使用的旧锁会像纸袋一样被轻易撕开，它们所守护的秘密也将暴露无遗。这不仅仅是黑客窃取资金的问题，而是关乎我们数字世界信任基础的崩塌。
这篇论文深入探讨了当那把“量子万能钥匙”到来时会发生什么。作者们是一群研究人员和行业专家，他们扮演着数字建筑师的角色，正在检查一座摩天大楼城市（区块链）以观察哪些建筑会在地面震动时坍塌。他们不仅询问“锁会坏吗？”，他们还询问“如果我们用新的、更坚固的锁替换掉坏掉的锁，建筑还能屹立不倒吗？”他们发现，仅仅将旧锁更换为新锁是一场等待发生的灾难。新的锁要重得多，也笨重得多。如果你试图把一个巨大的、沉重的保险柜挂在一个设计用于小挂锁的门上，门可能会从铰链上脱落，或者走廊可能会因为堆满了沉重的保险柜而挤得无法通行。论文指出，转向这些新的“后量子”系统需要对建筑进行彻底的重新设计，而不仅仅是简单的修补，否则整个系统可能会变得极其缓慢甚至崩溃。
量子威胁：一种新型黑客
把区块链想象成一本巨大的、公开的笔记本，每个人都在上面记录谁拥有什么。为了确保没人作弊，他们使用数字签名——就像一个独特的、不可伪造的印章，证明“是的，我确实写了这段话”。今天的这些印章是使用对普通计算机安全但对量子计算机脆弱的数学技术制作的。论文解释说，量子计算机可以使用一种被称为“秀尔算法”（Shor's algorithm）的著名技巧来逆向工程这些印章。这就像是一个小偷可以观察你的密封信封，推算出你究竟是如何制作蜡封的，然后伪造一个完美的副本来偷走你的钱。
危险分为两种形式。第一种是“现在收集，稍后解密”（Harvest Now, Decrypt Later）。想象一下，有人今天偷走了你的邮件，但他们现在还打不开。他们只是等待，直到五年后他们得到了量子计算机，然后他们再一次性打开所有的信件。对于那些将数字密钥暴露在区块链上的任何人来说，这是一个巨大的风险。第二种危险是“在线伪造”。如果你当前正试图发送资金，量子黑客可以拦截你的交易，伪造你的签名，并在网络意识到发生情况之前偷走资金。
七个巨人及其弱点
作者研究了七个主要的区块链——比特币（Bitcoin）、以太坊（Ethereum）、Algorand、Solana、Avalanche、Monero 和 XRP Ledger——以观察它们的表现如何。他们发现几乎所有这些区块链都依赖于同一种会被量子计算机破解的脆弱数学基础。
- 比特币 就像一个保险库，其中一些人把钥匙直接留在了显眼处（在使用旧式地址的情况下）。如果量子计算机觉醒，这些钥匙就彻底完了。对于其他人来说，钥匙在他们尝试消费之前是隐藏的，这给了他们在小偷袭击前转移资金的微小窗口期。但要同时移动所有资产就像是用茶匙掏空游泳池一样；网络会变得拥堵。
- 以太坊 要复杂一些。它使用一种特殊的“神奇胶水”（BLS 签名）将数千个投票捆绑成一个微小的笔记。这保持了系统的快速运行。但新的量子安全锁没有这种神奇胶水。如果以太坊在没有修复方案的情况下更换新锁，这些“笔记”会变得如此巨大，以至于网络会窒息，系统会减速到蜗牛爬行的速度。
- Solana 是为速度而生的，就像一辆赛车。但它的新量子安全锁太大了，甚至连赛车的后备箱都装不下。这辆车必须经过完全重新设计才能携带它们。
- Monero 是一种隐私币，隐藏了发送者和接收者的身份。它目前的数学基础会被量子计算机破解，而新的数学技术目前还不知道如何像以前那样隐藏身份。这就像是试图戴上一个让你隐身的伪装，但新的伪装反而让你看起来像个巨大的、显眼的靶子。
新锁的沉重负担
论文最大的发现是，你不能直接“掉入”一个新锁。新的后量子签名在物理尺寸上更大。想象一下，如果每次你发送短信时，都要附带一块砖头而不是一张纸。
作者进行了数据测算，发现如果比特币切换到其中一种新的标准锁（称为 ML-DSA），其速度将下降 89%。它将从每秒处理约 15 笔交易降至仅 1.6 笔。如果他们使用另一种锁（SLH-DSA），速度将降至 0.4 笔每秒。这是一个巨大的减速。
对于以太坊，问题甚至更严重，因为存在“神奇胶水”的问题。如果没有一种方法来捆绑这些沉重的签名，网络每时每刻都需要存储 67.7 兆字节 的数据，而目前仅为 几千字节。这就像是试图在一封信封里寄送一整座图书馆。网络很可能会陷入瘫痪。
连锁反应：为什么速度至关重要
这不仅仅关乎一个区块中能容纳多少交易，更关乎消息传播的速度。在区块链中，每个计算机（或“节点”）都需要快速听到新区块的消息。如果区块充满了巨大的、沉重的签名，传输就会变慢。
作者解释说，如果区块传输时间过长，某些计算机就会错过它，并开始在错误的笔记本版本上进行构建。这会导致“分叉”（forks），即链条分裂成两个。在比特币中，使用新锁后这种情况可能会增加 8.6 倍。想象一群朋友试图达成一个故事的共识，但每次有人讲述一部分时，由于信息变得太长且延迟太高，导致一半的人听到了不同的结局。故事就此瓦解。
这也改变了激励机制。矿工和验证者（维持网络运行的人）通过快速和可靠来赚钱。如果新锁让一切变得缓慢且充满风险，那么只有那些拥有最快互联网连接的最大、最富有的公司才能负担得起运行网络。这将扼杀“去中心化”的梦想，将一个公共网络变成一个私人俱乐部。
前行的道路：并非简单的更换
那么，解决方案是什么？论文指出，目前还没有完美的、通用的答案。
- 对于比特币： 他们可能需要升级系统以接受更小、更高效的锁（如 Falcon），或者使用一种“混合”方法，即同时使用旧锁和新锁。但这很昂贵，并且在过渡期间会进一步减慢速度。
- 对于以太坊： 他们需要发明一种新的方式将签名“粘合”在一起，或许是使用另一种类型的数学证明（如 STARKs）来压缩数据。
- 对于所有人： 作者认为我们需要准备好在未来再次更换锁。'Onramp' 项目正在寻找更小、更快的锁，但它们尚未准备就绪。
论文总结道，转向量子安全的未来并不是一个简单的软件更新。这是一个宏大的建筑工程。我们需要同时重新设计道路、交通灯和汽车。如果我们试图把一个新引擎强行安装在旧车上，车可能会散架。作者敦促业界现在就开始规划，建立灵活的系统以适应变化，并接受这个过程将会是混乱、缓慢且昂贵的。量子的时钟正在滴答作响，我们不能只是等待完美的锁；我们必须建造一扇能够应对未来任何挑战的门。
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