m o 量子时代的 c . 5 区块链技术白皮书 b u h t i g （2020 年） 中国移动研究院 前 言 近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领 域。2020 年 10 月 16 日，中央政治局对量子科技进行了第二十四次集体学习。 中共中央总书记习近平在主持学习时强调：要充分认识推动量子科技发展的重要 性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋 [1] 。 作为量子科技的重要领域，量子计算利用量子态叠加特性，通过量子态的受 控演化实现数据的存储计算，具有巨大的信息携带和超强的并行处理能力，对信 息科学等诸多领域产生颠覆性的影响。近年来，量子计算机的发展呈现加速趋势， m o c . 5 研发更高性能量子计算机的周期显著缩短，不断有科技巨头声称实现特定领域的 [2] 技术突破 。 区块链作为新型信息处理技术，在信任建立、价值表示和传递方面有不可取 代的优势，目前已经在跨行业协作、社会经济发展中展现出其价值和生命力。为 b u 了保证其信任、价值以及传递的安全性，区块链将密码学作为其核心的底层技术。 研究表明，经典密码学在量子时代将受到较大影响。本白皮书从量子计算入手， h t i g 分析量子计算对密码学以及对区块链的影响，并提出相关的策略建议，为即将到 来的量子时代构建安全的区块链提供技术参考。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷 贝本建议之部分或全部内容。 参与本白皮书撰写的主要专家包括：中国移动通信研究院何申、阎军智、刘 福文、王珂、杨波、董宁、粟栗等，北京大学信息科学技术学院区块链研究中心 陈钟教授、关志副教授，中国科学技术大学张军教授，区块链技术与数据安全工 业和信息化部重点实验室潘妍、李卫、李磊、余宇周等，在此表示感谢。 目 录 1. 引言 .............................................................................................................. 1 2. 量子计算与密码学 ...................................................................................... 1 2.1. 量子计算............................................................................................ 1 2.2. 量子计算对密码学的影响................................................................ 2 2.2.1. 非对称密码算法 ......................................................................... 2 2.2.2. 对称密码算法 ............................................................................. 2 m o c . 5 2.2.3. 哈希算法 ..................................................................................... 3 2.2.4. 量子随机数 ................................................................................. 3 3. 4. 5. 区块链与密码学 .......................................................................................... 3 3.1. 非对称密码算法在区块链中的应用................................................ 3 3.2. 对称密码算法在区块链中的应用.................................................... 4 3.3. 哈希算法在区块链中的应用............................................................ 5 3.4. 随机数产生算法在区块链中的应用................................................ 6 b u h t i g 量子计算对区块链的影响 .......................................................................... 6 4.1. 量子计算对非许可区块链的影响.................................................... 7 4.2. 量子计算对许可区块链的影响........................................................ 8 4.3. 小结.................................................................................................... 9 总结与工作展望 ........................................................................................ 10 缩略语列表.......................................................................................................... 12 参考文献.............................................................................................................. 13 中国移动 量子时代的区块链技术白皮书（2020） 1. 引言 量子计算利用量子态叠加特性，通过量子态的受控演化实现数据的存储计算， 具有巨大的信息携带和超强的并行处理能力，近年来量子计算机的发展呈现加速 趋势，对传统密码学领域将产生颠覆性影响。区块链作为新型信息处理技术，在 信任建立、价值表示和传递方面有不可取代的优势，这些优势建立在以密码学作 为核心技术的基础之上，区块链将受到量子计算的较大影响[3-4]。本白皮书聚焦 m o c . 5 量子计算对区块链技术的影响，提出相应的措施和建议，为即将到来的量子时代 构建安全的区块链提供技术建议。 2. 量子计算与密码学 b u 2.1. 量子计算 h t i g 量子计算是基于量子力学的全新计算模式，以微观粒子构成的量子比特为基 本单元，利用量子叠加和纠缠等物理特性，通过量子态的受控演化实现数据的表 示计算。相对于传统电子计算机使用比特作为基本单元，量子计算使用的量子比 特具有态叠加特性：量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，随着 量子比特数量增加，量子计算算力可呈指数级规模增长，具有经典信息处理无法 比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。目前已有量子算法利用量子力学效应 解决特定的密码学问题，其效率比经典计算机更高。 量子计算依赖于量子的物理特性，由于量子容易受到物理环境影响（如温度、 磁场、压力等），导致量子计算自身容易出错。因此，量子算法的电路需要额外 的量子比特进行纠错，在工程实践中实现特定功能的量子计算机比理论上更加复 杂。研究机构预测，未来 10 年有可能建造一台能够破解当前强度密码算法的量 子计算机[5]。 考虑到量子计算的发展趋势，有必要提前为信息安全系统做好准备，使其能 1 中国移动 量子时代的区块链技术白皮书（2020） 够应对这种未来必然面对的威胁[6]。例如，区块链中的存储数据可能需要多年的 保护，具有较长的生命周期，因此需要足够的安全手段，以确保在数据的生命周 期内对预期的安全威胁进行防范。 2.2. 量子计算对密码学的影响 2.2.1. 非对称密码算法 非对称密码算法中存在一对公私密钥，私钥一般是个人持有，不能被其他人 m o c . 5 获取；公钥一般可公开。非对称密码算法可用于数字签名、身份认证、数据加密 等场景。 利用量子计算机，Shor 量子算法能够在多项式时间解决整数分解问题 [7]。 RSA 算法的安全性依赖于分解大整数的困难性，因此，量子计算机最终削弱了系 b u 统的安全性。Shor 算法也使得量子计算机能够在多项式时间解决有限域和椭圆 曲线上的离散对数问题。该变体导致其他多种公钥密码算法不再安全，包括 h t i g ECDSA 和 Diffie-Hellman。 为了应对量子计算对非对称密码学的威胁，有必要将现有的算法替换成新的 抗量子的算法。但是，对于目前备选的抗量子算法的研究比传统的公钥算法的研 究要少得多。因此，需要在对抗量子威胁和确保使用稳定且经过测试的系统之间 取得平衡。 2.2.2. 对称密码算法 对称密码算法中加密密钥和解密密钥相同，一般用于数据加密。 Grover 搜索算法对非结构化的搜索问题提供二次方的加速[8]。将其应用于对 称密码算法，可通过 O(2N/2)次量子运算恢复 N 位密钥。在实际应用中，Grover 算 法提供的加速取决于多种因素，例如量子位数量、量子纠错能力等。有研究指出， 随着量子计算机的发展，128 位 AES 算法的安全性会有所降低，但不会降低至相 当于 64 位的安全性。 2 中国移动 量子时代的区块链技术白皮书（2020） 业内研究表明，将密钥长度延长一倍，就足够应对量子计算对对称密码算法 的威胁。 2.2.3. 哈希算法 哈希算法（Hash 算法，也叫散列算法）可将一串任意长度二进制值输入映射 为一串较短的固定长度的二进制值，输出值称为哈希值，也叫摘要或者指纹。 Grover 算法对也能影响散列算法的安全。有研究认为，对 SHA-256 算法的 单一原像攻击需要大约 2166 次操作，而不是理论上的 2128 次[9]。碰撞是散列算法 m o c . 5 安全性