東德州A&M大學的研究人員開發出他們所稱的首個已實作並經實驗評估的比特幣閃電網路後量子設計。閃電網路是比特幣的鏈下支付層,透過由多個節點組成的網路路由交易,而這些節點的身分、發票與訊息傳輸目前依賴傳統密碼學。該系統名為PQLN,在不需要更改比特幣共識規則的情況下,保護網路的鏈下通訊與支付功能。

由Ahmet Kurt、Abdul-Salem Beibitkhan、Yacoub Hanna和Abdullah Aydeger發表的PQLN研究,涵蓋五個核心閃電網路層面:gossip、節點間傳輸、發票、付款洋蔥路由以及BOLT 12 offers。研究團隊在rust-lightning中實作了該設計,並以真實的閃電網路節點進行驗證。

PQLN將ML-DSA數位簽章與ML-KEM金鑰交換結合閃電網路現有的密碼學。這兩種演算法均於2024年由美國國家標準與技術研究院(NIST)分別依FIPS 204與FIPS 203完成標準化。

PQLN保護五個閃電網路層面

閃電網路目前高度依賴secp256k1橢圓曲線密碼學。一台具足夠運算能力並執行Shor演算法的量子電腦,可從公開金鑰推導出私密金鑰,進而導致節點冒用、偽造發票、傳輸解密以及付款路由去匿名化等風險。

新系統在不企圖取代比特幣鏈上密碼學的前提下,解決閃電網路現有的量子風險。PQLN透過BOLT 7 gossip發布後量子節點身分、在BOLT 8傳輸交握中加入ML-KEM、以ML-DSA簽署BOLT 11發票,並將後量子保護延伸至BOLT 12 offers。BOLT 4下的付款洋蔥路由保留其既有格式,並攜帶混合式的ML-KEM機密。

funding、commitment與penalty交易則不在系統涵蓋範圍內。其鑰植基於比特幣交易之中,需要在比特幣協議層級進行變更才能獲得同等的保護。

另一方面,比特幣開發者正在討論諸如BIP 360等協議層級的方法,而StarkWare於8月在比特幣主網上演示了一筆抗量子交易,且未更改共識規則。PQLN則處理同一問題中的閃電網路應用層,即身分、發票與路由資料交換的環節。

密碼學開銷維持在一毫秒以下

測試發現,後量子運算僅增加相當少的處理時間。研究人員測得最慢的密碼學操作——ML-DSA簽章——耗時0.33毫秒。

在模擬50毫秒延遲的網路連線下,付款每經過一跳額外增加19至53毫秒,其中大部分延遲來自傳輸較大的後量子資料,而非密碼學計算本身。

頻寬與儲存則產生了顯著更大的成本。使用ML-DSA時,PQLN節點下載的gossip資料約為未修改節點的10倍,儲存量約為9倍。套用到一個擁有約33,000條公開通道的網路,意味著初始gossip下載量將從約26 MB增至約270 MB。選用較小的FN-DSA-512簽章方案,可將gossip成長幅度降至現有水準的約四倍。綜合來看,這些數據顯示,對節點營運者而言,後量子轉換的較大成本將來自資料量而非運算。

現有閃電網路節點保持相容

研究人員測試了結合PQLN與標準閃電網路節點的12種配置。當升級節點與未修改節點共用同一路由時,付款仍可完成,且在後量子保護無法使用時,連線會回退至傳統密碼學。追求更嚴格保證的營運者,則可啟用一種拒絕此類降級並在HTLC送出前中止付款的模式。

該開源實作為rust-lightning的研究分支新增約11,000行程式碼。開發者將此程式碼定位為研究原型而非正式發布版本,且仍需與Core Lightning、LND和Eclair進行額外的互通性測試。這些測試是判斷該設計能否超越研究原型階段的下一步。

NIST已完成ML-KEM與ML-DSA的標準化,並表示各組織應立即開始脫離易受量子攻擊的公鑰密碼學。根據其目前的過渡計畫,易受攻擊的演算法將被逐步淘汰,並最終於2035年前移除,風險較高的系統預期會更早完成轉換。由於PQLN無需共識變更即可運作,它讓閃電網路能夠獨立於比特幣基礎協議的決策,使節點層級的通訊符合該時間表。

來源:Crypto Adventure