国际视窗 | 量子计算对加密币、CBDC及支付系统的威胁及其应对

转载于：首席金融评论｜作者：陈顺殷

量子计算机（quantum computer）是一种利用叠加和纠缠等量子现象进行核心运算的实体或理论计算机。量子计算中的基本信息单位——量子比特（或“量子位”）的功能与传统或“经典”计算中的比特相同。然而，与只能处于两种状态之一（二进制）的经典比特不同，量子比特可以存在于两个状态的线性组合中，即量子叠加态。测量量子比特的结果遵循概率规则，呈现两种状态之一。若量子计算机以特定方式操控量子比特，波干涉效应将放大目标测量结果的概率。量子算法的设计涉及构建能让量子计算机实现这种放大的程序。量子计算有很多方法，包括使用超导、离子捕获、退火和光子方法的量子比特技术。业界普遍认为，量子计算机能在某些计算上实现比经典计算机指数级更快的运算速度。例如，大型量子计算机可破解部分广泛使用的加密算法，并协助物理学家进行物理模拟。不过，目前的量子计算硬件实现仍处于实验阶段，仅适用于特定任务。2019年，谷歌人工智能和美国国家航空航天局宣布，他们已经用一台54量子比特的机器实现了量子霸权，执行了一项经典超级计算机估计需要1万年才能完成的计算——这一说法随后遭到了IBM的质疑，IBM辩称，通过优化算法，该计算可以在大约2.5天内在其Summit超级计算机上完成，引发了关于这一里程碑的精确阈值的争论。然而，在刚过去的数年时间里，由于量子纠错和更有效的算法设计的快速进展，专家估计，能够破解这些密码的量子计算机最早可能出现在2029年——即将到来的俗称“Q-日”（Q-Day）的时间线。谷歌最近警告称，到2029年，量子计算机可能能够破解一些加密系统，这一时间表大大缩小了许多网络安全专家此前预测的保护数据的窗口期。谷歌在2026年3月发布新估算，认为约50万个物理量子比特的量子计算机就可能在几分钟内破解比特币的加密体系，门槛比此前预计降低了20倍。新的估计意味着政府、公司和其他实体的准备时间可能要少得多。若“Q-日”真的来临，有关情境可能会如加拿大安大略省滑铁卢大学量子计算研究所的教授、兼网络安全公司evolutionQ的联合创始人和首席执行官Michele Mosca最近描述的那样“这一天，人们，也许是对手，将能够使用一台可以破解正在使用的密码的量子计算机”。换言之，“Q-日”标志着量子计算机获得足够的资源和稳定性来破解传统密码学的时刻。当这种情况发生时，受当今常用算法保护的每一笔金融交易、医疗文件、电子邮件、位置历史和加密钱包都可以被一台能够解决目前保护敏感数据安全的复杂数学问题的机器解锁，并成为那个改变游戏规则的转折点。Michele Mosca还特别指出：“对手和不良行为者可能已经在收集加密数据，意图发起‘现在窃取，以后解密’（“harvest now, decrypt later）攻击......”。他补充道，在这种情况下，信息被窃取、存储，然后在全尺寸量子计算机可用时解密。若现实情况真的一如Michele Mosca上述描述的那样，量子攻击战现在早已在人们不知不觉中开启了。

事实上，目前大多数区块链依赖于几十年前的椭圆曲线密码学（elliptic-curve cryptography）来生成公钥和私钥以及数字签名，用于验证加密资产的所有权和授权交易。公钥是从私钥中数学推导出来的，在许多区块链网络中，一旦加密资产用于交易或转移，公钥就会公开可见。虽然传统计算机无法从公钥中导出私钥，但足够强大的量子计算机有可能做到这一点，这将让黑客能够伪造数字签名并授权欺诈交易。这对公共加密网络来说是一个特别严重的风险，因为与传统支付不同，交易是不可逆转的。基于上述情况，我们不难理解，量子计算确实对加密货币和央行数字货币（CBDC）构成了根本性的安全威胁，核心在于它能破解目前保护它们的公钥加密算法。但两者面临的处境和应对能力完全不同。两者所面对的相同的技术威胁是Shor算法的“降维打击”——其威胁主要来自 Shor算法，它能高效破解依赖大整数分解和离散对数的加密体系。

对加密货币（如比特币）而言，由于其依赖椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）来生成公私钥对。量子计算机能从公开的公钥反推私钥，直接盗取资产；据最新的专业研究结果显示，加密货币的最大风险在于其完全公开的账本。约35%至50%的流通比特币因公钥可见，长期暴露在风险中。早期未移动的比特币公钥长期暴露，可能被量子计算优先破解。

对央行数字货币而言，量子威胁围绕着未来大规模量子计算机打破保护数字钱包和支付网络的底层公钥密码学（如RSA和椭圆曲线算法）(such as RSA and Elliptic Curve algorithms)的能力。央行数字货币生态系统的主要脆弱性包括：（1）“现在窃取，以后解密”攻击——黑客今天正在积极拦截和存储加密的央行数字货币数据，计划在构建足够强大的量子计算机后追溯解密，从而暴露过去的财务历史；（2）资产盗窃和伪造——量子算法可以让坏人从公钥中计算私钥，使他们能够窃取数字资金，冒充授权个人，绕过验证检查；（3）网络拦截——量子攻击可能会在结算过程中损害央行和商业银行之间网络通信的完整性。

对国际清算系统而言，量子计算的威胁核心在于它能从根本上瓦解支撑全球金融交易的信任基石。这种威胁并非未来时，而是通过“现在窃取，以后解密”的策略已进入“进行时”。具体威胁体现在两个层面：层面一、核心清算机制面临“信任崩塌”风险。潜在的例子包括：（1）环球银行金融电信协会支付系统（Society for Worldwide Interbank Financial Telecomm缩写 SWIFT）为例，SWIFT报文与签名伪造——攻击者若用Shor算法破解RSA或ECC加密，就能篡改SWIFT报文、伪造数字签名，指挥巨额资金去向，引发不可逆的流动性危机；（2）大额支付系统被攻破——如纽约清算所同业支付系统（CHIPS）和美联储的Fedwire等系统被攻破，后果极其严重。花旗集团曾估算这可能引发2万亿至3.3万亿美元的经济冲击（约等于美国GDP下降10%-17%）；（3）系统性信任危机——一旦交易终结性受到质疑，市场可能瞬间停止交易。国际清算银行（BIS）模型预测，一次量子攻击在15-20年内造成的经济损失可能超过全球GDP的1%。层面二、“现在窃取，以后解密”已成现实威胁。国际清算银行明确指出，恶意攻击者现在就在大规模窃取并存储加密的银行间通信数据，等待未来量子计算机成熟后再解密。必须指出的是，量子计算的攻击目标并不限于上述国际清算系统，其他众多经济体本土或跨境清算系统也在黑客攻击之列。

随着量子计算对加密技术的威胁日益迫近，比特币因其较长的历史产生了大量可见的公钥，被认为风险尤为突出，为此，加密货币公司目前正着手加速准备防御措施。据路透社7月8日最新报道，随着近期量子计算技术取得突破性进展，加密货币行业正开始为量子计算的威胁做准备，该技术可能很快就能破解保护交易和数字钱包的加密技术。量子计算机能比当今精密的计算机更快解决复杂的数学问题，还可破解传统数字信息加密方法。这对基于旧式加密技术保障的区块链、且已频遭重大黑客攻击的2万亿美元全球加密货币市场而言，无疑是场灾难。尽管该技术仍处于实验阶段，但自今年3月Alphabet旗下谷歌（多家技术巨头中率先探索该技术的公司之一）的研究显示量子计算机可能比预期更快破解加密后，加密行业的担忧便持续加剧。这是对加密货币和加密网络的最直接和存在的威胁，一些加密货币公司和区块链开发商已经在制定计划，用抗量子加密技术升级他们的网络，这可能需要长达数年的努力，可能需要对支撑数字资产的基础设施进行彻底的改变。一家主要加密货币公司的一位高级网络安全主管表示，他预计他的公司需要两年时间才能完全抗量子攻击。他和其他人将这项潜在的工作描述为类似于Y2K式的大修，当时超过3,000亿美元⁠在全球范围内修复“千年虫”。对于区块链来说，这个问题尤其棘手，区块链大多是去中心化的，这意味着它们由一个可能无法就前进道路达成一致的社区运营。据接受路透社采访的人士称，前20大区块链中没有一个实现了后量子签名算法。高管们表示，就比特币而言，开发商和市场参与者在采用哪种修复方案以及何时采取行动方面存在分歧。以太坊基金会支持区块链⁠第二大加密货币以太坊的支撑公司表示，其目标是在2029年全面保护量子计算。不过，许多加密货币高管在看到解决问题的迫切性的同时，也提出这样的警告：过早行动可能会造成漏洞，因为后量子密码学仍在迅速发展。而且，后量子数字签名通常比传统签名大得多，增加了存储和带宽要求，它们可能会增加成本并降低用户体验。此外，像谷歌这样的技术领导者已经规定了内部迁移时间表，以在2029年之前完成后量子转换。加密工具和平台正在大力投资于这一过渡，以在即将到来的量子里程碑之前保护数字隐私。

与此同时，为有效管控和降低上述量子计算技术带来的风险，全球央行（如欧元体系和国际清算银行）正在进行试验，以测试和实施后量子密码学（Post-Quantum Cryptography 缩写PQC）。这一过程涉及将抗量子加密集成到现有的支付基础设施中。然而，一个主要的挑战仍然是量子安全的加密签名会增加交易规模并大大降低交易速度，这可能会阻碍消费者的采用。为前瞻性应对量子计算技术对央行数字货币和金融系统的潜在威胁，世界各地的中央银行正在调查量子计算的潜在影响，分析风险管理协议，并实施先进的加密方法来保护下一代数字货币平台。其中，“跃迁项目（Project Leap）”是国际清算银行创新中心的一项具体举措，旨在保护全球金融体系免受未来量子计算机带来的加密威胁。它侧重于测试和实施后量子密码学（PQC），以屏蔽敏感的支付系统和财务数据。“跃迁项目”采用“混合加密”（传统算法+PQC）和“加密敏捷性”（能随时快速切换算法）两条腿走路。该项目分两阶段进行。第一阶段——这一阶段由国际清算银行创新中心欧元系统中心、法国银行和德意志联邦银行于2023年进行，成功建立了量子安全通信渠道。它证明了通过应用使用传统和抗量子算法的混合加密模式来保护金融数据免受未来量子解密的可行性。第2阶段——该阶段于2025年底发布，涉及国际清算银行、意大利银行、法国银行、德意志联邦银行、Nexi Colt和Swift。该实验在可操作的支付系统环境中成功测试了后量子加密协议。通过在实时流动性转移过程中用后量子密码学取代传统数字签名，该团队发现了传统算法和量子算法之间的显著性能差异，强调了持续准备的必要性。作为阶段性成果，“跃迁项目”发布了全面的报告，详细介绍了向后量子加密的过渡：将支付系统迁移到量子安全解决方案是一个复杂而高风险的过程，会影响整个金融生态系统。“跃迁项目”第二阶段强调了及时准备和跨机构合作的重要性，以确保。此外，“跃迁项目”解决了更新和替换金融系统严重依赖的加密安全算法所涉及的具体挑战，未来的量子计算机可能会破解这些算法。就项目已有进展而言，项目第一阶段已成功在法国与德国央行之间构建了量子安全的VPN，验证了PQC在真实金融通信中的可行性。第二阶段正联合SWIFT等机构在支付系统层面深度测试。

相对于加密货币，鉴于央行数字货币具有“中心化”优势，央行数字货币处境相对较为从容，核心优势是中心化管理。其核心举措包括：（1）可集中升级——央行能直接指令系统升级；（2）监管驱动——七国集团央行已成立工作组推动迁移，各国也有明确时间表。例如美国国家安全局要求2027年后新采购的基础设施必须支持抗量子密码，2031年底前完成旧系统淘汰；（3） 时间窗口——主流预期“Q-日”在2030至2045年之间。美国国家标准与技术研究院（NIST）和欧盟要求2030至2035年完成过渡。总的来说，国际清算系统正面临一场基础性的信任重构挑战。好在以国际清算银行为代表的机构已启动迁移，希望抢占在量子计算机成熟前完成升级的时间窗口。

最后，需强调的是，美国政府将量子技术作为优先发展领域，因其有望彻底变革国家安全体系、巩固地缘政治优势，并解决关键的科学与后勤难题。2026年6月22日，特朗普总统签署两项行政令，旨在加速美国量子研究并保障联邦基础设施安全。第一项令聚焦于推动创新并开发高性能量子计算机，而第二项则要求加速向后量子密码技术过渡。在加速美国量子创新方面，《量子创新新纪元开启》行政命令要求实施全政府战略，确保美国在量子计算、传感和网络领域的技术领先地位。关键指令包括：（1）量子计算——启动一项国家计划，旨在开发一台可推动科学研究的大型量子计算机，同时能源部还将推出量子计算机应用开发与发现科学（QC-ADDS）新举措；（2）量子传感器——指示五角大楼在2028年前部署具备量子功能的传感器，以在争议环境中实现先进导航与情报收集；（3）太空倡议——指示美国宇航局制定一项为期五年的民用量子传感与空间应用网络计划。在加强网络安全方面，《防范先进加密攻击保障国家安全》行政命令针对量子计算机对经典加密构成的新兴威胁作出了规定。该指令要求联邦机构在2031年前完成高价值系统的后量子密码技术迁移，较此前2035年的目标提前了四年。为确保这一技术优势，美国正通过《国家量子倡议法案》（the National Quantum Initiative Act ）和《芯片与科学法案》（the CHIPS and Science Act）等重大举措，为国内研发提供巨额资金支持。政府关注此重点的主要驱动力包括：（1）网络安全与情报——量子计算机有可能破解标准公钥加密技术。这意味着对手可解码此前截获并存储的数据，对情报系统和金融体系构成巨大威胁。政府正积极投入抗量子密码学研发以保护机密信息；（2）军事与国防——量子传感器正在研发中，用于在GPS信号中断或弱化的环境中导航，使军队无需依赖传统卫星即可可靠作战。传感器的极高灵敏度还能提升威胁探测能力，例如识别地下设施或隐蔽的敌方力量；（3）科学与经济霸权——量子计算能够模拟化学反应和复杂系统，其能力远超传统超级计算机。这将加速药物研发、先进材料和气候建模领域的突破；（4）地缘政治竞争——保持量子研究领域的领导地位可避免对外国对手的基础技术依赖，并确保美国为未来全球产业制定标准。

作为具体行动举措的一部分，美国政府将量子计算视为国家安全与经济安全的首要优先事项，并计划通过《芯片与科学法案》向九家关键科技企业拨款数十亿美元进行支持。联邦机构通过具体、协调的行动推动并确保这些量子计划的实施：（1）直接企业投资——美国商务部正在美国九家量子科技公司中收购非控股股权，以确保国内硬件供应链安全；（2）关键受援方——IBM是最大受益者，计划投入约数十亿美元用于建设量子芯片代工厂。其他主要受益方还包括Global Foundries、Quantinuum、D-Wave和Rigetti；（3）国家量子倡议（NQI）——旨在加速美国国家科学基金会（NSF）和能源部等联邦机构的量子研发进程；（4）网络安全防护——政府将优先推进后量子密码技术的采用，以抵御未来高度先进的量子破解能力对联邦网络的威胁。总括而言，美国政府优先考虑量子计算，是将其视为事关国家安全、经济主导权和技术代差的战略制高点。这不仅是科学竞赛，更是一场关乎未来几十年全球格局的“算力主权”保卫战。

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