11、比特币、区块链与量子密码学：技术前沿与安全挑战

比特币、区块链与量子密码学：技术前沿与安全挑战

1. 比特币与区块链

1.1 区块链基础

区块链是近年来新兴的加密应用，是一种安全的分布式账本，用于记录合同和交易的执行情况。它使得加密货币（如比特币）成为传统法定货币的安全数字替代品。以太坊等项目进一步发展了分布式账本，允许将可执行代码写入区块链，为金融和衍生品市场中完全任意的“智能合约”的自我执行和强制执行开辟了前景。

在区块链协议中，参与者使用加密数字账本共同认可合同和交易的有效性。该账本记录了所有区块链交易的完整历史，网络参与者使用椭圆曲线公钥密码学对这些交易进行数字签名。通过民主过程，只要单个用户不垄断网络，记录的交易就是合法的，并能得到集体和民主的认可，这通过网络参与者在交易发生时进行数字签名来保证。

1.2 比特币协议与挖矿

比特币协议基于区块链创建了一种安全的数字加密货币。为此引入了挖矿子协议，在该过程中创建货币单位（“硬币”）。协议通过密码学手段确保存在硬币数量的上限，从而防止伪造和货币供应的通胀性激增。

挖矿过程基于对（双重）SHA256哈希函数求逆的计算难度。合法的比特币由一个哈希值满足特定约束的字符串定义，即：
[
\epsilon_{lower} \leq SHA256(SHA256(x_{coin})) \leq \epsilon_{upper}
]

这虽然比直接求逆哈希函数稍弱，但仍然只能通过正向的暴力哈希来解决。这种方法将计算复杂性与挖矿过程相关联，从而保证了货币供应的计算完整性，同时限制了可存在的唯一硬币数量。这种技术被称为“工作量证明”，它将价值与一定量的计算投入联系起来，该思想最