qBitcoin：对等量子现金系统

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英文标题：
《qBitcoin: A Peer-to-Peer Quantum Cash System》
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作者：
Kazuki Ikeda
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最新提交年份：
2017
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英文摘要：
  A decentralized online quantum cash system, called qBitcoin, is given. We design the system which has great benefits of quantization in the following sense. Firstly, quantum teleportation technology is used for coin transaction, which prevents from the owner of the coin keeping the original coin data even after sending the coin to another. This was a main problem in a classical circuit and a blockchain was introduced to solve this issue. In qBitcoin, the double-spending problem never happens and its security is guaranteed theoretically by virtue of quantum information theory. Making a block is time consuming and the system of qBitcoin is based on a quantum chain, instead of blocks. Therefore a payment can be completed much faster than Bitcoin. Moreover we employ quantum digital signature so that it naturally inherits properties of peer-to-peer (P2P) cash system as originally proposed in Bitcoin.
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中文摘要：
给出了一个分散的在线量子现金系统，称为qBitcoin。我们设计的系统在以下意义上具有很大的量化优势。首先，量子隐形传态技术被用于硬币交易，这防止了硬币所有者即使在将硬币发送给另一个硬币后仍保留原始硬币数据。这是经典电路中的一个主要问题，引入区块链来解决这个问题。在qBitcoin中，双重消费问题从未发生，其安全性通过量子信息理论从理论上得到保证。制作块非常耗时，qBitcoin系统基于量子链，而不是块。因此，支付可以比比特币更快地完成。此外，我们采用量子数字签名，因此它自然继承了比特币中最初提出的对等（P2P）现金系统的属性。
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分类信息：

一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：General Finance        一般财务
分类描述：Development of general quantitative methodologies with applications in finance
通用定量方法的发展及其在金融中的应用
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一级分类：Computer Science        计算机科学
二级分类：Cryptography and Security        密码学与安全
分类描述：Covers all areas of cryptography and security including authentication, public key cryptosytems, proof-carrying code, etc. Roughly includes material in ACM Subject Classes D.4.6 and E.3.
涵盖密码学和安全的所有领域，包括认证、公钥密码系统、携带证明的代码等。大致包括ACM主题课程D.4.6和E.3中的材料。
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一级分类：Physics        物理学
二级分类：Quantum Physics        量子物理学
分类描述：Description coming soon
描述即将到来
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PDF下载：
--> qBitcoin:_A_Peer-to-Peer_Quantum_Cash_System.pdf (284.9 KB)

2022-6-1 06:13:59 上传

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关键词：Bitcoin ITC COI bit TCO

qBitcoin：对等量子现金系统Kazuki Ikeda大阪大学物理系，Toyonaka，大阪560-0043，Japankikeda@het.phys.sci.osaka-u、 给出了一个分散的在线量子现金系统，称为qBitcoin。我们设计的系统在以下意义上具有量化的巨大好处。首先，量子隐形传态技术被用于硬币交易，这阻止了硬币的所有者即使在将硬币发送给另一个硬币后仍保留原始硬币数据。这是经典电路中的一个主要问题，为了解决这个问题，引入了区块链。在qBitcoin中，双重消费问题从未发生，其安全性在理论上得到了量子信息理论的保证。制作块非常耗时，qBitcoin系统基于量子链，而不是块。因此，支付可以比比特币更快完成。此外，我们采用了量子数字签名，因此它自然继承了比特币中最初提出的对等（P2P）现金系统的特性。比特币[1]是一种分散的在线现金系统，其开发版本已作为传统货币的替代品广泛应用于现代社会。然而，它的安全性基本上依赖于基于经典计算机计算硬度假设的密码学，量子计算机的发展对安全构成了严重威胁。据信，量子计算机可以加快挖掘过程，并可能破解比特币网络使用的SHA256哈希算法。事实上，据报道，比特币使用的经典签名方案存在风险，可能在几十年内被量子攻击彻底破坏[2]。

尽管这可能并不意味着比特币面临被量子计算机黑客入侵的直接危险，但没有人会怀疑存在潜在的危险。当然，世界各地的银行都存在类似的问题。为了解决这个问题，我们尝试将其移植到一个量子网络上，并使用所有保持单向运动的量子技术对整个系统进行量化。与比特币或其他量子货币方案相比，qBitcoin的新颖性可以总结如下。量子隐形传态被用来传送硬币。这可以避免在没有区块链帮助的情况下以简单的方式重复支出。2、量子数字签名用于验证交易。这需要其他参与者参与验证签名，因此它与P2P兼容。3、交易可以比比特币更快完成。每个节点不是一个块，而是一个点，因此，如果签名得到验证，事务将立即完成一次。我们将在本节的其余部分简要介绍该系统。首先，我们需要考虑如何传输由量子信息制成的硬币。目前，最好的方法是利用量子隐形传态，它成功地将量子信息传输到遥远的地方。使用量子隐形传态的最大好处是，量子信息无法到达原始位置，换句话说，如果量子信息被发送，发送器不可能一次保留原始量子数据。这一点对于硬币交易非常有用，因为任何硬币数据都不应该是可复制的，这给qBitcoin带来了强大的优势。我们使用的量子货币是不可伪造的，因此在qBitcoin上永远不会出现所谓的双重消费问题。另一方面，这个问题在比特币中至关重要，区块链系统就是为了解决这个问题而发明的。

然而，这会导致另一个问题：创建块非常耗时，需要等待10分钟以上才能完成事务。qBitcoin是由网络连接点而不是块组成的。因此，quantizedsystem将成功地以比比特币快得多的速度传输货币。第二，我们应该提到安全。正如最常讨论的那样，维护系统以使其能够容忍第三方的黑客攻击至关重要。在包括比特币在内的传统银行系统中，其安全系统依赖于密码，密码的安全性暂时由整数分解算法和椭圆曲线密码所代表的计算硬度假设来保证。然而，众所周知，量子计算机能够在短时间内破解此类常规代码。因此，找到一种替代方法是明智的。在qBitcoin中，我们使用量子密码技术，因为它受到物理定律的保护，所以它是安全的，因此原则上永远是安全的。此外，所有者的隐私可以得到完美的保护，这样他/她的私人信息就不会因为盲目的量子计算而泄露出去[7、8、9、10]。这使得该系统比传统的比特币更加健壮。第三，将比特币的关键属性继承给Qbitcoin也很重要；点对点（P2P）系统，因为这与传统银行系统不同，即比特币在没有授权第三方帮助的情况下成功建立了在线现金系统。我们考虑一个基于量子数字签名的novelsignature验证系统。我们将在后面的部分讨论其细节。这首曲子的编排如下。在下一节中，我们将定义qBitcoin中使用的量化硬币的概念。

在第3节中，我们设计了qBitcoin系统，其中更详细地描述了基于量子隐形传态的硬币交易和我们的量子签名验证系统。在下一节中，我们将介绍基于量子物理的安全性，并介绍一些相关的工作。2硬币由一对经典和量子态ci=（ri，|ψii）定义，其中i标记一个序列号，ri是由经典位构成的交易记录，交易通过将CIT传递给另一个人完成。给硬币的这些经典位ria和量子位（qubits）|ψii应该是一一对应的，这样就没有人可以复制了。也就是说，它们服从r6=rj<=> |ψii 6=|ψji表示所有序列号i，j。与通常的货币或比特币不同的是，任何人都隐藏着有关硬币的量子信息。造币厂向那些想交易的人发行量子币。硬币的主人可以拥有量子态，但无法获得伪造的全部信息。此外，禁止克隆定理[11，12]有助于系统防止所有者复制硬币。即使完整的量子信息没有向公众开放，也可以使用量子隐形传态将信息传输给其他人，如后续章节所述。这些序列号应在不与中央当局联系的情况下进行身份验证。这种量子货币方案的一个例子是[13]，它具有所需的属性：1。任何人都可以验证造币厂提供的货币，但不能伪造。2、任何人都可以验证序列号。3交易3.1汇款在qBitcoin中，硬币和银行对账单的量子信息通过量子隐形传态传输【3】，这是一种通过经典信息网络将量子信息发送到远程位置的协议。实验技术已经建立[5，6]。

传送硬币的程序如下。让|ψi成为汇款人想要发送给收款人的硬币。汇款人和收款人共享一个EPR对【14】，汇款人对其中一个EPR对和|ψi进行Bell测量。然后汇款人通过经典信道将结果告知收款人，通过经典信道，收款人可以通过对另一个EPR对执行酉运算来恢复|ψi的信息。通过这种测量，量子状态将丢弃汇款人所拥有的货币，并将|ψi发送给收款人。这样，硬币数据就不会留在汇款人手中，从而解决了双重支出问题。为了成功地传递|ψi的信息，我们采用了量子密钥分配（QKD）协议，发送方和接收方剪切私钥。最广为人知的是BB84[15]。汇款人对钟声测量结果进行解码，并通过开放渠道告知接收人。对它进行解码，接收器就可以得到密码。图1：通过量子隐形传态汇出硬币的草图。3.2使用量子数字签名进行验证Qbitcoin是一种配备有交易系统的量子链。如果验证了硬币所有人的签名，则将交付一种量子状态的硬币，并批准一次交易。现代数字签名的安全性基于解决数学问题的难度，例如查找大数字的因素（如RSA算法中使用的）。然而，当量子计算机可用时，解决这些问题的任务就变得可行了。此外，传统比特币使用经典编码，因此找到一种替代方法很重要。

为了解决这个问题，正在开发量子数字签名方案，即量子力学数字签名，以防止篡改，即使来自拥有量子计算机的各方，也可以使用强大的量子欺骗策略。我们将量子数字签名用于qBitcoin。Gottesman和Chuang[16]提出的方案是最著名的。它本质上是由一个量子单向函数给出的，该函数的输入k是一个classic bit string，输出是一个对应的量子态| fki，由于量子信息理论，k的输入是不可能的：k 7→ |fki轻松| fki 7→ k不可能有一种密钥分配方法来保护量子数字签名，它允许我们在这个方案上设计qBitcoin。与比特币不同的是，发行qBitcoin所有者的公钥有一定的限制。如果k的长度为O（2n），则应制作| fki的T个副本，以便L- nT公司 1因为如果观察到太多的公钥副本，那么成功猜测初始私钥k的机会就会变大，这是Holevo定理的结果【17】。因此，我们应该限制映射k 7的任何公钥的副本数→ |fki是一个量子单向函数，此类公钥被分发给相应数量的其他参与者，以便他们能够验证签名。量子数字签名系统要求其他参与者参与验证签名，因此它与比特币作为P2P电子现金系统的概念自然兼容。此外，不使用hashalgorithm，发射机必须对ainvoice的每一位进行签名。事务的过程如下所示和描述。1、汇款人和收款人使用QKD协议（如BB84.2）剪切私钥。

当且仅当货币c=（r，|ψi）具有与r和|ψi相同的序列号时，才接受汇款。实际上，我们也可以将经典私钥k转换为量子私钥| ki，并考虑量子单向函数| ki 7→ |fki。通过这种方式，quantumprivate key | ki是安全的，因为除了所有者之外，没有其他人可以根据无克隆定理复制它，并且不可能从| fki反转| ki。汇款人编码|ψi.4。汇款人发送汇款请求，其中包括记录r、签名s=（k，| fki）和|ψi的编码信息，以随机方式发送给能够接收相应公钥| fki的参与者。请求的接收者验证签名。如果签名获得批准，则其中一位接收人更新记录并向公众开放。（奖励对象将获得一定的奖励。）7、qBitcoin的接收者可以通过解码c.4安全和隐私信息来接收qBitcoin。在这里，我们提到了qBitcoin的安全性，以防出现多个欺诈场景。我们首先假设汇款人是骗子。汇款人复制硬币数据并向其发送两人以上数据的情况已被拒绝，因为汇款人不知道硬币的相应量子态，因此无法生成任何硬币副本。此外，没有第三方可以凭借QKD协议的安全性窃取硬币。也就是说，为了试图窃取acoin，第三方需要窃听汇款人和接收人之间的通信，并获得他们剪切的私钥，然而，这种尝试在原则上永远不会成功，因为QKD应该受到物理规则的保护。qBitcoin比Bitcoin更能加强用户的隐私。

正如原论文中提到的，比特币的风险在于，如果密钥的所有者被释放，链接可能会泄露属于同一所有者的其他交易。qBitcoin通过使用Gottesman和Chuang提出的量子数字签名解决了这一问题。这些所有者的私钥不是秘密的，任何密钥都不会链接到他们自己。此外，房主可以随心所欲地生孩子，因此，甚至无法猜测他们的主人是谁。在实践中，考虑不反对量子计算机的人如何使用量子货币也很重要，因为只有有限的人能够拥有第一代量子计算机。在这种情况下，想要交易量子货币的人将被迫在交易所访问量子计算机。这里的问题是如何保护业主的精神。幸运的是，我们有一个很好的解决方案。也就是说，所谓的Lind量子计算[7，8]是一种安全协议，它使没有量子计算机的客户机（Alice）能够将其量子计算委托给一台具有完全灵活的量子技术的服务器（Bob），而Bob无法获得有关Alice实际输入、输出和算法的任何信息。该协议对拓扑盲量子计算的真实噪声具有非常安全和鲁棒性[9，10]。将此协议应用于qBitcoin，所有者的隐私应得到完美保护。另一方面，以实用的方式建立经典的盲计算仍然是一个悬而未决的问题。也就是说，在传统的比特币中，硬币所有者的私人信息存储在市场上，并可能泄露出去。5相关工作基于量子力学建立货币体系的尝试由来已久。据信，威斯纳大约在1970年（1983年出版）[18]制作了一个原型，其中给出了可由银行验证的量子货币。

在他的方案中，量子货币是安全的，因为由于不可克隆定理，量子货币无法复制，但存在几个问题。例如，银行需要维护一个庞大的数据库来存储量子货币的经典信息。Aaronson提出了一个quantummoney方案，该方案使用公钥验证钞票[19]，后来在[20]中开发了该方案。有一项关于试图量化比特币（quantizeBitcoin）的调查【21】基于经典区块链系统和【20】中提出的经典数字签名协议。然而，所有这些工作都依赖于经典的数字签名协议和经典的硬币传输系统，因此计算硬度假设对其系统至关重要。换言之，如果有一天出现了一台具有终极计算能力的计算机，那么上述货币系统就有崩溃的危险，正如今天的银行系统所面临的那样。6结论和未来工作我们在本文中介绍的内容可以总结如下。QBitcoin是一个分散的在线量子现金系统，重要的变化是，除了交易描述之外，量子态作为硬币进行交换。这使得传统比特币的安全性大大优于之前的goodworks，因为根据物理定律，任何人都不能欺骗交易，任何第三方都不能非法窃取任何信息。此外，业主的隐私得到了完美的保护。凭借成功的盲量子计算，我们还强调，没有完整量子技术的人可以在qBitcoin上交易量子货币，而不必担心任何隐私问题。