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Fidelity untersucht die Quantensicherheit von Bitcoin
Laut der am 1. September veröffentlichten Analyse von Fidelity Digital Assets müssen die Schutzmaßnahmen für Bitcoins private Schlüssel möglicherweise irgendwann ersetzt oder ergänzt werden. Kryptografisch relevante Quantencomputer (CRQCs) existieren derzeit zwar noch nicht, doch ausreichend leistungsfähige Systeme könnten die mathematischen Annahmen untergraben, auf denen die Transaktionsautorisierung beruht, und damit Gelder gefährden.
Fidelity Digital Assets Research identifizierte den Transaktionsdurchsatz als zentralen Engpass für jedes zukünftige Sicherheits-Upgrade von Bitcoin:
„Die Minimierung der Schlüsselgröße zur Aufrechterhaltung des Transaktionsdurchsatzes von Bitcoin bleibt ein zentrales Anliegen, auch wenn die Auswirkungen angesichts des derzeitigen Zustands eines nahezu leeren Mempools möglicherweise weniger ausgeprägt sind.“
Private Schlüssel ermöglichen es Bitcoin-Besitzern, Transaktionen zu autorisieren, ohne auf einen Vermittler angewiesen zu sein. Wallets verwenden einen privaten Schlüssel, um eine digitale Signatur zu erzeugen, die die Kontrolle nachweist, ohne den geheimen Schlüssel preiszugeben. Diese Beziehung zwischen privaten Schlüsseln, öffentlichen Schlüsseln und Transaktionssignaturen bildet die Grundlage für den Besitz und die Selbstverwahrung von Bitcoin.
Bitcoins aktuelle Signaturen stehen vor einer zukünftigen Bedrohung
Die meisten Standard-Bitcoin-Transaktionen verwenden den Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (EC-DSA) oder Schnorr-Signaturen. Schnorr-Signaturen wurden durch Taproot verfügbar, wobei der Bitcoin Improvement Proposal 340 (BIP 340) Schnorr-Signaturen spezifiziert und der BIP 341 die Ausgaberegeln von Taproot festlegt. BIP 341 wurde im Januar 2020 verabschiedet, bevor das Upgrade 2021 aktiviert wurde. Beide Verfahren beruhen auf der Schwierigkeit, das Problem des diskreten Logarithmus auf elliptischen Kurven mit klassischen Computern zu lösen.
Ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer, auf dem Shors Algorithmus läuft, könnte dieses Problem lösen und aus den entsprechenden öffentlichen Schlüsseln private Schlüssel ableiten. Forschungsergebnisse haben einige Schätzungen hinsichtlich der für einen Angriff auf die Kryptografie mit elliptischen Kurven erforderlichen Ressourcen nach unten korrigiert, wodurch die Debatte um die Quantensicherheit von Bitcoin stärker in den Fokus gerückt ist, obwohl bestehende Quantensysteme noch weit unter der kryptografisch relevanten Kapazität liegen.
SHRINCS verbindet Effizienz mit einem Wiederherstellungspfad
Forscher evaluieren quantenresistente Signatursysteme, die auf Hash-Funktionen statt auf Kryptografie mit elliptischen Kurven basieren. Der SHRINCS-Spezifikationsentwurf kombiniert einen kompakten, zustandsbehafteten Signaturpfad mit einem umfangreicheren zustandslosen Fallback. Der aktuelle Entwurf sieht einen 48-Byte-öffentlichen Schlüssel, zustandsbehaftete Signaturen im Bereich von 548 bis 4.619 Byte und eine zustandslose Signatur mit 5.777 Byte vor.
Der zustandsbehaftete Pfad erfordert, dass Signaturgeräte nachverfolgen, welche Einmal-Signaturschlüssel bereits verwendet wurden. Ein verlorener oder beschädigter Zustand verhindert, dass die Wallet diesen Pfad sicher fortsetzen kann, während der Fallback von SHRINCS auf Algorithmen des am 13. August 2024 veröffentlichten SLH-DSA-Standards des National Institute of Standards and Technology zurückgreift. Die zustandslose Alternative bewahrt den Zugriff, beansprucht jedoch erheblich mehr Blockspeicherplatz. Fidelity Digital Assets Research beschrieb, wie ein zukünftiges quantenresistentes Bitcoin-Upgrade unterschiedliche Sicherheitsanforderungen erfüllen könnte:
„SHRINCS stellt als kürzlich formalisierter BIP einen möglichen Weg in die Zukunft dar. Die technischen Einschränkungen von Bitcoin und die mit größeren quantenresistenten Signaturen verbundenen Ineffizienzen deuten jedoch darauf hin, dass eine zukünftige Lösung dem aktuellen Zustand von Bitcoin ähneln könnte.“
Größere Signaturen würden die Kapazität von Bitcoin verringern
Die bestehenden Signaturen von Bitcoin sind nach wie vor weitaus kleiner als führende postquantenresistente Alternativen, was zu einem direkten Zielkonflikt zwischen zukünftiger Sicherheit und Netzwerkkapazität führt. Größere Signaturen würden mehr Blockplatz beanspruchen, die Transaktionskosten in Zeiten hoher Auslastung erhöhen und die Anzahl der Transaktionen begrenzen, die Miner bestätigen könnten. Andere Untersuchungen ergaben, dass einige quantensichere Signatursysteme die Transaktionsdaten stark vergrößern könnten. Die Implementierung von SHRINCS oder einem anderen quantenresistenten System würde neue Konsensregeln erfordern, möglicherweise durch einen abwärtskompatiblen Soft Fork. Auch Wallet-Anbieter, Miner, Knotenbetreiber, Börsen und Verwahrstellen müssten den Übergang unterstützen. Fidelity schloss sich im Juli acht weiteren Finanz- und Krypto-Unternehmen an, um eine 15-Millionen-Dollar-Initiative zur Bitcoin-Sicherheit zu finanzieren, die auch Forschung zur Quantenresistenz umfasst.