Tisho za Quantum kwa Bitcoin na Mikakati ya Kinga ya Baada ya Quantum

1.1 Utangulizi wa Tisho za Quantum

Kompyuta za quantum zinaleta tishio kubwa kwa mifumo ya sasa ya misimbo inayolinda Bitcoin na fedha za kidijitali nyingine. Uundaji wa kompyuta kubwa za kutosha za quantum zinaweza kuvunja algoriti ya sahihi ya kidijitali ya mkondo duara (ECDSA) inayotumika katika Bitcoin, ikiwezekana hata mwaka 2027 kulingana na makadirio ya matumaini.

1.2 Misingi ya Usalama wa Bitcoin

Usalama wa Bitcoin unategemea sehemu kuu mbili: utaratibu wa makubaliano wa uthibitisho-wa-kazi na misimbo ya mkondo duara kwa idhini ya manunuzi. Hali ya kusimamiwa na wengi ya Bitcoin imethibitika kuwa imara dhidi ya mashambulio ya kompyuta za kawaida tangu kuanzishwa kwake mwaka 2008.

2. Uchambuzi wa Mashambulio ya Quantum

2.1 Ukinzani wa Uthibitisho-wa-Kazi

Uthibitisho-wa-kazi wa Bitcoin unaotegemea SHA-256 unaonyesha ukinzani wa kadiri dhidi ya mwendo wa quantum. Wachimbaji wa sasa wa ASIC hufikia viwango vya hashi vya ~100 TH/s, huku kompyuta za quantum za karibuni zinakadiriwa kufikia kasi ya saa ya MHz 100-1 GHz tu. Mwendo wa quantum wa algoriti ya Grover inayotumika kwa uchimbaji hutoa faida ya mraba tu, na kusababisha uboreshaji wa takriban mara 2-4 badala ya mafanikio makubwa.

2.2 Udhaifu wa Mkondo Duara

Mpango wa sahihi wa mkondo duara unaotumika katika Bitcoin una hatari kubwa kwa algoriti ya Shor, ambayo inaweza kutatua tatizo la logariti tofauti la mkondo duara kwa wakati wa polynomia. Dirisha muhimu la shambulio lipo kati ya utangazaji wa manunuzi na uthibitisho wa mnyororo wa bloki (kawaida dakika 10).

3. Suluhu zenye Kinga dhidi ya Quantum

3.1 Uthibitisho-wa-Kazi wa Momentum

Uthibitisho-wa-kazi wa Momentum, unaotegemea kupata mgongano wa hashi, hutoa kinga bora dhidi ya quantum ikilinganishwa na uchimbaji wa SHA-256 wa Bitcoin. Paradoksi ya siku ya kuzaliwa hutoa kinga asilia kwa faida ya quantum $O(2^{n/3})$ tu dhidi ya $O(2^{n/2})$ ya kawaida.

function uchimbaji_wa_momentum(ugumu):
    wakati Kweli:
        nambari_ya_mwanzoni1 = nasibu()
        nambari_ya_mwanzoni2 = nasibu()
        hashi1 = sha256(kichwa_bloki + nambari_ya_mwanzoni1)
        hashi2 = sha256(kichwa_bloki + nambari_ya_mwanzoni2)
        ikiwa umbali_wa_hamming(hashi1, hashi2) < ugumu:
            rudisha (nambari_ya_mwanzoni1, nambari_ya_mwanzoni2)
    

3.2 Mipango ya Sahihi ya Baada ya Quantum

Mipango kadhaa ya sahihi ya baada ya quantum inaonyesha matumaini kwa matumizi ya mnyororo wa bloki:

• Sahihi zenye msingi wa hashi: SPHINCS+ na XMSS hutoa uthibitisho imara wa usalama
• Zenye msingi wa wima: Dilithium na Falcon hutoa sifa nzuri za utendaji
• Zenye msingi wa msimbo: Classic McEliece hutoa usalama wa uhakiki

4. Utekelezaji wa Kiufundi

Msingi wa hisabati wa mashambulio ya quantum unategemea algoriti ya Shor kwa logariti tofauti. Kwa mkondo duara $E$ juu ya uwanja wa mwisho $F_p$ na sehemu ya kizazi $G$, ufunguo wa umma $P = kG$, algoriti ya Shor hupata ufunguo wa siri $k$ kwa kutatua:

$k = \log_G P$ katika $E(F_p)$

Mabadiliko ya quantum ya Fourier huruhusu kupata kipindi kwa ufanisi katika tatizo la kikundi kilichofichwa, na kutoa mwendo mkubwa ukilinganisha na algoriti za kawaida.

5. Matumizi ya Baadaye

Mabadiliko kwa fedha za kidijitali zenye kinga dhidi ya quantum yanaweza kufuata njia kadhaa:

• Muda mfupi (2023-2027): Utafiti na uanzishaji wa kiwango cha algoriti za baada ya quantum
• Muda wa kati (2027-2035): Utekelezaji wa mipango mseto ya sahihi
• Muda mrefu (2035+): Uhamiaji kamili kwa itifaki zenye kinga dhidi ya quantum

Teknolojia mpya kama mnyororo wa bloki wa quantum na daftari zilizosimamiwa na wengi zenye usalama wa quantum zinaweza kutumia mchanganyiko wa quantum kwa usalama ulioboreshwa, kama ilivyochunguzwa katika utafiti wa hivi karibuni kutoka Taasisi ya Kitaifa ya Viwango na Teknolojia (NIST) mchakato wa kuanzisha kiwango cha misimbo ya baada ya quantum.

6. Marejeo

1. Aggarwal, D., et al. "Mashambulio ya quantum kwa Bitcoin, na jinsi ya kujilinda dhidi yao." arXiv:1710.10377 (2017).
2. Shor, P. W. "Algoriti za Wakati wa Polynomia kwa Mgawanyiko wa Nambari Kuu na Logariti Tofauti kwenye Kompyuta ya Quantum." Jarida la SIAM juu ya Kompyuta 26.5 (1997): 1484-1509.
3. NIST. "Kuanzisha Kiwango cha Misimbo ya Baada ya Quantum." Taasisi ya Kitaifa ya Viwango na Teknolojia (2022).
4. Nakamoto, S. "Bitcoin: Mfumo wa Pesa wa Kidijitali wa Mtandao." (2008).
5. Bernstein, D. J., et al. "SPHINCS: sahihi za vitendo zenye msingi wa hashi zisizo na hali." EUROCRYPT 2015.
6. Alagic, G., et al. "Ripoti ya hali juu ya raundi ya pili ya mchakato wa kuanzisha kiwango cha misimbo ya baada ya quantum wa NIST." NIST IR 8309 (2020).