量子電腦曾一度僅出現在理論物理論文中，如今已成為全球區塊鏈密碼學基礎的具體威脅。本文將探討量子抗性代幣與密碼學方法，如何著手防禦專家普遍認為遲早會挑戰數位安全的量子危機，尤其是在價值2.7兆美元的加密貨幣市場。
量子電腦運作方式與傳統電腦有根本性的不同，它們利用量子位元（qubit），可藉由重疊態同時表示多種狀態。這項能力結合量子糾纏，使之前不可能的運算方法成為可能。
對依賴複雜數學難題來確保不可破解的加密貨幣網路而言，這象徵著生存危機。
近期發展讓相關隱憂從理論走向現實：
- Google 在 2023 年宣布其 433 顆量子位元處理器「Willow」，展示在部分計算任務上實現量子優越性
- IBM 2024 年藍圖預計 2027 年達成 4,000 顆以上量子位元，逼近能破解常見密碼學系統的門檻
- 薩塞克斯大學研究指出，約 2,000 萬顆有雜訊量子位元的電腦可於 24 小時內破解比特幣橢圓曲線密碼
根據 2024 年全球風險研究院量子威脅報告，能破解現有密碼標準的量子電腦出現的預期時間大幅提前。分析指出，到 2032 年有 50% 機率量子電腦可破解 RSA-2048 及 ECC-256，2040 年則高達 90%。
區塊鏈系統的特定弱點
區塊鏈網路對量子攻擊有特殊弱點，源於其核心安全機制：
1. 公鑰密碼學曝露
比特幣、以太坊等加密貨幣廣泛使用 secp256k1 曲線上的 ECDSA 驗證交易。用戶發起交易時會公開其公鑰，產生一個關鍵弱點窗口。有技術的量子攻擊者可能：
- 透過 Shor 演算法自公開公鑰計算出對應的私鑰
- 假造交易，將資產自已洩露之位址轉出
- 在確認窗口內於交易驗證前執行上述攻擊
Deloitte 的量化分析指出，目前約 25% 的比特幣（市值超過 4000 億美元）儲存在已曝露公鑰的地址，待技術成熟後理論上皆有量子攻擊風險。
2. 共識機制弱點
除了直接的資產竊取外，量子運算更威脅區塊鏈共識機制：
工作量證明（PoW）：量子演算法可極大提升解題效率，造成：
- 僅需較低硬體成本即可發動 51% 攻擊
- 加速區塊產生及鏈重組
- 破壞網路安全所依賴的計算公平性
權益證明（PoS）：雖抗計算優勢較佳，若簽章機制遭破解仍會使攻擊者：
- 偽造驗證者簽名
- 操控驗證流程
- 產生共識衝突點，造成最終性失效
以太坊基金會密碼學團隊估計，具 6,600 個邏輯量子位元的容錯量子電腦已能威脅 secp256k1 安全，20,000 個以上則會完全失守。現今錯誤修正下，這代表數百萬顆實體 qubit——照現有發展，15～20 年內可望達成。
後量子密碼學：技術基礎
NIST 標準化和篩選程序
美國國家標準與技術研究院（NIST）於 2016 年啟動後量子密碼標準化流程，評估多領域 69 個候選演算法。經過嚴格安全與效能測試，NIST 於 2022 年決選出下列方案：
密鑰封裝（協議）：
- CRYSTALS-Kyber（主要建議）
- BIKE、Classic McEliece、HQC、SIKE（備選）
數位簽章：
- CRYSTALS-Dilithium（主要建議）
- FALCON（適用對簽名長度有要求之應用）
- SPHINCS+（適用須確保強哈希安全性的場景）
這些標準為量子抗性區塊鏈打下技術根基，相關標準文件預計 2025 年底前完成。
量子抗性技術方案
多種密碼學技術可防禦量子威脅，各有優缺點：
格基密碼學
格基方法依賴在高維格中尋找最短或最接近向量的計算難題，即便面對量子電腦也難以破解。
技術特性：
- 安全依據：最短向量問題（SVP）、帶錯學習問題（LWE）
- 運算效率：中高（加密/驗證速度快）
- 密鑰/簽章長度：中等（通常為 KB 級）
- 實做成熟度：高（NIST 主流標準）
NIST 所選 Kyber 標準具備以下適合區塊鏈應用的優點：
- 密鑰長度僅 1.5-2KB，易於鏈上儲存
- 運算速度接近傳統密碼學
- 對傳統與量子攻擊均具強大安全性
- 適合資源有限設備部署
NIST 評估報告顯示，Kyber-768（約128位元後量子安全性）在現代處理器上建鑰需約 0.3 毫秒，密鑰封裝約 0.4 毫秒，解封約 0.3 毫秒，適合高吞吐區塊鏈。
哈希型簽章
哈希型簽章建立在加密哈希函數的量子抗性上，安全性高，但有部分實用限制。
**技術特性：
- 安全基礎：哈希函數的碰撞抗性
- 運算效率：高（簽章與驗證皆快）
- 密鑰/簽名長度：大，特別是有狀態變種
- 實做成熟度：極高（安全性充份驗證）
如 XMSS（擴展 Merkle 簽章方案）、SPHINCS+ 皆具可證安全性，其中 SPHINCS+ 為 NIST 替代標準。但實用挑戰包括：
- 簽名長度達 8-30KB，遠超過現行 ECDSA
- 有狀態方案需複雜管理
- 如 XMSS 等簽章量有限制
此類方案適用於簽章頻率低、簽名大小非關鍵安全性優先的鏈上應用。
編碼型及多元多項式密碼學
這類新型方法在安全假設上提供多元化選擇，若格基或哈希型出現疑慮時，可作為備案。
編碼型技術特性：
- 安全依據：綜合症解碼問題
- 運算效率：中等
- 密鑰/簽名長度：極大，多為數十至數百 KB
- 實做成熟度：中（已有數十年分析但部署少）
多項式型技術特性：
- 安全依據：多元多項式方程求解
- 運算效率：驗證快、簽章較慢
- 密鑰/簽名長度：公鑰大，簽章較小
- 實做成熟度：中（已受廣泛分析）
目前因效能限制，這些方案在區塊鏈應用較少，但安全專家仍建議納入密碼多樣化策略。
量子抗性區塊鏈項目：實作方式
原生量子抗性網路
若干區塊鏈專案自設計初即導入量子抗性密碼學，提供實務部署經驗與挑戰：
Quantum Resistant Ledger (QRL)
QRL於2018年啟動，是第一批採用 XMSS 簽章的量子抗性區塊鏈之一。
主要實作：
- 採 XMSS 簽章、256 位 SHAKE-128 雜湊
- 支援多種簽章格式的地址設計
- 一次性簽章需嚴格密鑰管理
- 支援多重簽章以提升安全性
QRL 展現哈希型方案部署於鏈上的優缺點。鏈上資料顯示簽章平均約 2.5KB，遠大於比特幣平均 72 bytes，故 QRL 區塊鏈單筆交易增長速度約為比特幣的 3.5 倍，帶來更高儲存與頻寬需求。
雖有挑戰，QRL 實證哈希型簽章可安全應用於區塊鏈。自上線以來已生產超過 260 萬區塊，尚未出現安全破口。
IOTA 的過渡策略
IOTA 最初採用了 Winternitz 一次性簽章（WOTS）以實現對量子攻擊的抵抗，但隨著多次協議升級，其路線已顯著演進。
技術演進：
- 原始的 WOTS 實作（雖能對抗量子威脅，但造成可用性挑戰）
- 在 Chrysalis 升級中過渡至 Ed25519 簽章（優先考量效能）
- 規劃於即將到來的 Coordicide 升級整合 NIST PQC 標準
IOTA 的經驗顯示，要在量子抗性實作中兼顧安全、效率與可用性，在實務上存在諸多困難。官方文件指出，其最初的量子抗性方法，因地址重用上的限制，導致相當嚴重的使用體驗摩擦，因此在尋找更佳可用性的量子抗性方案時，曾暫時回退採用傳統密碼學。
QANplatform
QANplatform 採用基於格的加密方法，與 NIST 建議相符，並明確實作 CRYSTALS-Kyber（用於金鑰交換）與 CRYSTALS-Dilithium（用於電子簽章）。
技術做法：
- 整合 NIST PQC 決賽演算法
- 支援傳統與後量子方法的混合型加密模型
- 量子抗性智慧合約平台
- Layer-1 實作強調開發者可及性
QANplatform 測試網上的效能數據顯示，基於格的處理方案在實務上具備可行性，其交易驗證平均時間約為 1.2 秒——已與多數傳統加密實作相當。混合式策略可支援逐步遷移，這為量子抗性密碼學的採用帶來解決關鍵阻礙的新方法。
既有網路的量子抗性策略
主流加密貨幣網路在遷移至量子抗性密碼學時，因規模龐大、所保護價值高及需多人協調，面臨顯著困難。
比特幣的做法
比特幣一向採取保守的開發哲學，強調穩定與向後兼容，這為密碼學轉型帶來許多挑戰。
現況與提案：
- 目前尚無正式比特幣改進提案（BIP）被採納用於後量子簽章
- Taproot 升級雖提升隱私，但未解決量子易受攻擊問題
- 擬議解決方式包含：
- 可選擇性的新量子抗性地址格式
- 雙重驗證的漸進式過渡期
- 若量子威脅突然出現時的緊急硬分叉機制
比特幣社群一向將穩定性擺在優先於功能提升的位置，例如 Taproot 升級即使內容變化不大，推動過程仍歷時數年。這樣的治理模式讓量子抗性方案的推動更加困難，因為相關改動通常會牽涉更大範圍的協議修改。
BitMEX Research 的分析指出，目前約有 250 萬顆比特幣（市值超 1300 億美元）仍鎖定在直接暴露公鑰的 pay-to-public-key（p2pk）地址，成為比特幣供應量中最易受量子攻擊的部分。
以太坊的規劃路線圖
以太坊在協議演進能力方面表現較佳，量子抗性明確在長期發展藍圖中占有一席之地。
規劃步驟：
- 在以太坊技術藍圖的「Endgame」階段納入後量子簽章
- 研究與現有零知識證明系統相容的基於格簽章
- 探索以帳戶抽象化來達成密碼學靈活性的機制
- 有望於全網部署前提供可選擇性的量子抗性選項
以太坊研究員 Justin Drake 描繪了一個能「加密靈活性」的願景，也就是能讓網路在不中斷應用運作的情況下升級簽章機制。這顯示出，要因應量子威脅，除了新演算法外，還需打造可因應標準演進的新型協議架構。
以太坊測試網上的效能測試顯示，若採用 CRYSTALS-Dilithium 簽章，每筆交易資料量約會增加 2.3KB，導致標準交易瓦斯費上升約 40-60%。儘管漲幅不小，但在擴容藍圖下尚屬可控範圍。
實作挑戰與解決方案
技術限制
導入量子抗性密碼學，為區塊鏈網路帶來多方面技術挑戰：
儲存與頻寬需求
後量子密碼學方案通常需要較大的金鑰與簽章。
這將對以下產生影響：
- 區塊空間使用效率
- 網路頻寬消耗
- 節點儲存空間需求
- 交易手續費
潛在解決方式包括：
- 簽章聚合技術
- Layer-2 方案將簽章資料移至鏈下
- 漸進式儲存剪除機制
- 優化編碼格式
效能與效率
後量子演算法一般需要更多計算資源。
對於高吞吐量區塊鏈網路，這類差異可能影響：
- 交易驗證時間
- 區塊生成速率
- 節點硬體需求
- 能耗
優化方式包括：
- 演算法專用的硬體加速
- 批次驗證技術
- 平行運算實作
- 特定演算法最佳化
以太坊基金會的研究顯示，經過硬體優化的基於格簽章，效能差距可望壓縮在現有 ECDSA 的兩到三倍之內——對多數區塊鏈應用來說是可接受的範圍。
治理與協作挑戰
公有鏈去中心化的特性，讓密碼協議的重大升級極具協調困難：
協議升級協調
與中央化系統可強制升級不同，區塊鏈網路需跨越多元參與者達成共識，包括：
- 核心開發者
- 節點運營者
- 礦工／驗證者
- 錢包服務供應商
- 交易所與託管商
比特幣與以太坊過去都顯示，具爭議性的協議更動有機會引發分叉（fork），造成安全與價值分裂。比特幣的 SegWit 升級，從提案到啟動即花費近 18 個月，即使是針對關鍵問題的改善。
遷移策略
成功實現量子抗性，需周全規劃遷移路径：
可選式遷移做法：
- 使用者可自主將資產遷移到量子抗性地址
- 對提前遷移給予獎勵（如手續費折扣、進階功能）
- 設立明確時程表與截止期限
混合模式：
- 過渡期內並存傳統與後量子雙重簽章驗證
- 同時支援兩類簽章方式
- 骨牌式提高驗證要求
緊急機制：
- 為量子威脅快速攀升時，制定加速遷移應變預案
- 建立緊急協議升級的共識機制
- 設置安全通信渠道以協助協調危機對應
發展方向：產業回應與最佳實務
當前產業方案
面對量子威脅，加密貨幣領域已開始出現多項具體應對辦法：
跨鏈標準制定
產業協作正透過下列管道推進量子抗性標準化：
- 加密貨幣量子抗性聯盟（CQRA）：集合 14 個區塊鏈專案協作要件制定
- NIST 密碼技術組專為分散式帳本發展指導方針
- 後量子密碼學聯盟（PQCA）打造區塊鏈整合用的開源工具
這些努力重點在於標準互通，避免安全策略碎片化，確保不同鏈能一致部署。
企業方案與混合模式
商業化解決方案正橋接實體與協議層升級時間差：
- Quip Network 推出「量子保險箱」產品，採混合加密即時保護資產
- ID Quantique 與 Mt Pelerin 合作為機構級加密資產打造硬體保安量子保險箱
- StarkWare 研發後量子零知識證明，用於 Layer-2 擴容方案
這些案例證明，在未全面協議升級前，量子抗性措施可逐步整合至現有系統。
利害關係人實務建議
不同區塊鏈生態參與者，可採取多元實際應對措施：
一般代幣持有者
即刻提升防護可採行下列措施：
- 地址衛生管理：避免重複使用及暴露公鑰
- 定期金鑰輪換：定期將資產轉移至新地址
- 多重簽章安全：採用需多把金鑰共同授權的多重簽章保護方式
- 冷錢包保管：大多數資產存於永未公開公鑰的冷錢包地址
- 多元化配置：分散資產於不同加密技術的體系
開發團隊與專案方
技術準備工作包含：
- 密碼學靈活性：設計能無縫升級簽章機制的系統
- 混合式實作：於過渡期間同時支援傳統與後量子算法
- 協議測試：用測試網驗證後量子算法整合挑戰
- 教育推廣：向用戶與關係人普及將來的遷移需求
- 開源工具支持：貢獻實作 NIST PQC 標準的區塊鏈專用元件
交易所與託管機構
機構級防範應著重於：
- 風險評估：量化各類加密資產對量子威脅的曝險程度
- 安全升級：實施進階...Sure! Here’s your translation according to your formatting instructions (skipping markdown links):
保護層次超越區塊鏈原生安全性
3. 客戶教育：通知用戶量子相關風險以及防護措施
4. 產業協作：參與耐量子地址標準的制定
5. 交易監控：開發可偵測潛在量子基攻擊的系統
結論：超越恐懼、不確定與質疑
量子威脅對加密貨幣產業而言，需要嚴肅看待，但毋須過度恐慌。只要做好準備並實施耐量子密碼學，區塊鏈網路即使在量子運算發展進步下，也能持續維護其安全性保證。
有幾個關鍵觀點應指導產業的應對方式：
時程與準備窗口
目前的預測顯示，現行加密標準遭受實際量子攻擊之前，約有 5 至 10 年的時間窗口。只要現在開始準備，便有充裕時間可進行審慎而周全的轉型。
全球量子風險評估工作小組的最新分析指出，對比特幣與以太坊現行加密機制的攻擊，至少需要擁有 6,000 個邏輯量子位元的量子電腦──根據目前的發展趨勢，在 2030 年前達到該門檻的可能性不高。
密碼學多元防禦
多元的後量子密碼學方案，可提升系統對潛在漏洞的韌性。如果實作多種密碼方法，而非只倚賴單一方式，區塊鏈系統便能針對傳統與量子威脅建構縱深防禦。
量子抗性不僅僅是被動防禦威脅，更是推動區塊鏈創新的契機。新型密碼方法能帶來更強的隱私功能、更高效的驗證機制，以及過去因運算限制而無法實現的新型智慧合約能力。
耐量子密碼學的出現，最終很可能加強而非削弱區塊鏈技術，推動產業邁向更健全安全的模式與更頂尖的密碼學實力。以主動的態度擁抱此一挑戰，加密貨幣生態系即可確保其根本價值主張──去信任、抗審查的價值轉移──在量子運算時代依然得以延續。