Bitcoin and its underlying blockchain protocol have recently received significant attention in the context of building distributed systems and foundations of the consensus problem. At the same time, the rapid development in quantum computing makes the threats to cryptography more and more concerning. In this work, we revisit the formal security of the core of the Bitcoin consensus protocol, called the Bitcoin backbone (Eurocrypt 2015), in the presence of quantum adversaries -- i.e. adversaries equipped with quantum computers. We show that the security of the Bitcoin backbone holds under a quantum analogue of the ``honest majority'' assumption that we develop. The critical ingredient of proving security of the blockchain is to analyzing the quantum query complexity of a Chain-of-Proofs-of-Work search problem. This problem in turn reduces to a problem we call multi-solution Bernoulli search, for which we establish its quantum query complexity. This can be viewed as an extension of a threshold direct product theorem to an average-case unstructured search problem. Our proof, adding to active recent efforts, simplifies and generalizes the powerful recording technique due to Zhandry (Crypto 2019). Our analysis indicates that the security of the Bitcoin backbone protocol is guaranteed provided that the number of adversarial quantum queries is bounded so that each quantum query is worth $O(p^{-1/2})$ classical ones, where $p$ is the probability of success of a single classical query to the protocol's underlying hash function. Perhaps surprisingly, the wait time for safe settlement of transactions in the case of quantum adversaries matches (up to a constant) the safe settlement time in the classical case and thus does not result in any further overhead.


翻译:Bitcoin及其基本连锁协议最近在建立分布式系统和共识问题基础的背景下受到极大关注。 与此同时,数量计算快速发展使得加密的威胁越来越多。在这项工作中,我们重新审视Bitcoin共识协议的核心(称为Bitcoin主干线(Eurocrypt 2015))的正式安全性,因为有量子对手,即配有量子计算机的对手。我们表明Bitcoin主干线的安全在“最诚实多数”的假设下处于一个量子类比之下。同时,数量计算快速发展使得对加密功能的安全性功能的关键内容是分析“工作链链”搜索问题的量子查询复杂性。在这项工作中,我们称之为“Bitcoin ” 协议(Eurocry) 的核心安全性安全性安全性安全性复杂性, 也就是“Ormaly ” 的直径直径分析, 也就是“Orbility” 的直径直径直径直径直径直到“C” 直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直达。

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