การออกแบบบล็อกเชนที่ปลอดภัยจากควอนตัมอาจช่วยลดค่าธรรมเนียมและลดความแออัดของเครือข่าย

การกำจัดลายเซ็น: รอยเท้าบนเชนขนาด 96 ไบต์

มาหลายปีแล้ว ชุมชนคริปโตได้เตือนถึงการปะทะกันที่กำลังจะเกิดขึ้นระหว่างเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเทคโนโลยีบล็อกเชน หลักการทางคณิตศาสตร์เบื้องหลังภัยคุกคามนี้เรียบง่าย: อัลกอริทึมกุญแจสาธารณะอย่าง ECDSA ซึ่งปกป้องทุกอย่างตั้งแต่ธุรกรรมบิตคอยน์ไปจนถึงสัญญาอัจฉริยะ จะไม่สามารถให้ความปลอดภัยที่เพียงพอได้อีกต่อไป เมื่อฮาร์ดแวร์ควอนตัมพัฒนาจนสมบูรณ์

อย่างไรก็ตาม วิธีแก้ไขที่เสนอขึ้นมักดูอันตรายไม่แพ้ตัวปัญหาเอง ระบบเข้ารหัสหลังยุคควอนตัมมักสร้างลายเซ็นที่ใหญ่โตและหลักฐานความรู้เป็นศูนย์ (ZK) ขนาดมหึมา — การระเบิดของข้อมูลที่คุกคามจะทำให้เครือข่าย peer-to-peer อุดตัน กดดันผู้ขุด และผลักดันค่าธรรมเนียมการทำธุรกรรมให้สูงขึ้น

อย่างไรก็ตาม แบบจำลองสถาปัตยกรรมใหม่สัญญาว่าจะทำลายการแลกเปลี่ยนแบบศูนย์รวม (zero-sum trade-off) ระหว่างความปลอดภัยควอนตัมและความสามารถในการขยายตัวของเครือข่าย ที่พัฒนาขึ้นโดยนักวิจัยด้านเข้ารหัส Dragos Ilie ร่วมกับทีมจาก Imperial College London ระบบ Compact Shielded client-side validation (CSV) แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนผ่านสู่เข้ารหัสหลังยุคควอนตัมไม่จำเป็นต้องยอมรับค่าธรรมเนียมก๊าซที่สูงเกินควรหรือประสิทธิภาพเครือข่ายที่ช้า

ในความเป็นจริง โดยการคิดใหม่เกี่ยวกับวิธีการพิสูจน์สิทธิ์การเป็นเจ้าของ และถ่ายโอนงานการตรวจสอบไปยังอุปกรณ์ของผู้ใช้โดยตรง โปรโตคอลนี้สามารถลดขนาดข้อมูลบนเชนให้เบากว่าแม้แต่บล็อกเชนรุ่นเก่าในปัจจุบัน

หัวใจของปัญหาความสามารถในการขยายตัวในยุคควอนตัมอยู่ที่การเลือกออกแบบแบบดั้งเดิม: การเก็บลายเซ็นดิจิทัลที่มีขนาดใหญ่บนบัญชีแยกประเภทสาธารณะเพื่อให้ทุกโหนดเต็มตรวจสอบ Compact Shielded CSV ทิ้งลายเซ็นบนเชนไปอย่างสิ้นเชิง และแทนที่ด้วยโครงสร้างการเข้ารหัสแบบใหม่ที่เรียกว่า degriefer

ในทางปฏิบัติ การทำธุรกรรมแบบอินพุตเดียวที่บันทึกบนบล็อกเชนประกอบด้วยแฮช 32 ไบต์ 3 รายการที่มีขนาดรวมเพียง 96 ไบต์ ได้แก่ nullifier เพื่อป้องกันการใช้เงินซ้ำซ้อน (double-spending), การยืนยันการทำธุรกรรม (transaction commitment), และ degriefer เอง

"degriefer คือเพียงแฮชของ nullifier ของเหรียญ กุญแจลับของเจ้าของ และธุรกรรมที่ใช้เหรียญนั้น" Ilie อธิบาย "ด้วยการเพิ่มแฮชเล็กๆ นี้บนเชน ผู้ส่งสามารถสร้างหลักฐานความรู้เป็นศูนย์ (zero-knowledge proof) นอกเชนเพื่อตรวจสอบได้"

การป้องกันผู้วิ่งหน้า (Front-Runners) และการโจมตีแบบ Griefing

เนื่องจากการสร้างหลักฐาน ZK ที่มาพร้อมกันนี้ต้องการกุญแจลับของเจ้าของเป็นข้อมูลป้อนเข้าส่วนตัว ผู้ส่งต่อที่มีเจตนาร้ายและผู้โจมตีแบบฟรอนต์รันเนอร์จึงถูกปิดทางทางคณิตศาสตร์ "ผู้โจมตีสามารถทำการฟรอนต์รันธุรกรรมได้ แต่เขาไม่สามารถสร้างหลักฐาน ZK ที่ถูกต้องได้ ดังนั้นเขาจึงไม่สามารถได้รับประโยชน์จากสิ่งนี้อย่างแน่นอน" Ilie ชี้แจง

นอกจากนี้ หากผู้โจมตีส่งธุรกรรมที่ขัดแย้งกันเพื่อขัดขวางการใช้เงิน เจ้าของที่ถูกต้องสามารถเปิดเผยความพยายามดังกล่าวได้อย่างง่ายดาย "ผู้ใช้สามารถพิสูจน์ด้วย ZK ว่าธุรกรรมแบบฟรอนท์รันนั้นเป็นความพยายามก่อกวนที่ไม่ถูกต้อง โดยการแสดงว่าคีย์ลับจริงของเขาที่ถูกแฮชร่วมกับตัวลบล้าง (nullifier) และธุรกรรมของผู้โจมตี ไม่ก่อให้เกิดผลลัพธ์ที่ผู้ก่อกวน (degriefer) โพสต์โดยผู้โจมตี" Ilie เน้นย้ำ

ดังนั้น แทนที่จะบังคับให้ทุกโหนดทั่วโลกต้องดาวน์โหลด ดำเนินการ และเก็บรักษาประวัติธุรกรรมทุกชิ้นไว้ตลอดไป Compact Shielded CSV จึงย้ายความรับผิดชอบในการเก็บรักษาและตรวจสอบข้อมูลหลักฐานไปยังผู้ใช้เฉพาะที่เกี่ยวข้องกับธุรกรรมนั้น

จากมุมมองของผู้ใช้ปลายทาง การใช้งานกระเป๋าเงินบน Compact Shielded CSV รู้สึกคล้ายกับการใช้ไคลเอนต์ SPV ของ Bitcoin แบบน้ำหนักเบา “มันเพียงต้องการการเชื่อมต่อกับโหนดที่ซื่อสัตย์อย่างน้อยหนึ่งโหนดเท่านั้น” Ilie กล่าว เพื่อยืนยันการชำระเงินที่เข้ามา กระเป๋าเงินจะตรวจสอบพารามิเตอร์สาธารณะของหลักฐานกับข้อมูลบนเชน และตรวจสอบความถูกต้องของหลักฐาน ZK ในเครื่องท้องถิ่น "ตัวอย่างเช่น สำหรับหลักฐาน ZK STARK แม้บนโทรศัพท์มือถือ [verification] ก็ใช้เวลาน้อยกว่า 100 มิลลิวินาที" เขาเสริม

การสร้างหลักฐานการชำระเงินขาออกต้องการการคำนวณมากขึ้นเล็กน้อย แต่ Ilie คาดว่าจะเร็วขึ้นเมื่อวงจรการพิสูจน์พัฒนาขึ้นอย่างเต็มที่ ที่สำคัญที่สุดคือ เนื่องจากสถาปัตยกรรมนี้พึ่งพาหลักฐานแบบรีเคอร์ซีฟที่มีขนาดคงที่ ความลึกของธุรกรรมในอดีตจึงไม่เคยเป็นอุปสรรคต่อผู้ใช้ปลายทาง เมื่อถูกถามถึงความกังวลเกี่ยวกับการเก็บหลักฐานหลังยุคควอนตัมนอกเชน Ilie กล่าวว่า:

"หลักฐานเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าลายเซ็น และใช้เวลานานกว่าในการสร้างและตรวจสอบ แต่สิ่งนั้นจะเป็นภาระก็ต่อเมื่อเครือข่ายทั้งหมดต้องจัดเก็บและตรวจสอบมัน เนื่องจากนี่เป็นโปรโตคอลการตรวจสอบด้านไคลเอนต์ ผู้ใช้แต่ละคนจึงจัดเก็บ ตรวจสอบ และสร้างหลักฐานเฉพาะเหรียญที่ตนเองสนใจเท่านั้น ซึ่งสามารถจัดการได้อย่างสะดวก"

เพื่อให้เข้าใจขนาดพื้นที่จัดเก็บได้ดีขึ้น Ilie กล่าวว่า “ภาพถ่ายบนโทรศัพท์ของคุณมีขนาดใหญ่กว่าหลักฐานหนึ่งชิ้น 20–40 เท่า” และเสริมว่า การส่งการชำระเงินต้องการ “แบนด์วิดท์และพื้นที่จัดเก็บน้อยกว่าการส่งภาพถ่าย”

ไม่มีการขยายตัวของสถานะ

เมื่อประวัติการทำธุรกรรมเพิ่มขึ้น อุปกรณ์ edge แบบดั้งเดิมมักประสบปัญหา state bloat อย่างไรก็ตาม ภายใต้ Compact Shielded CSV ลูกค้าแบบเบา (light clients) จะไม่เก็บประวัติการทำธุรกรรมใดๆ เลย นอกเหนือจากหลักฐานขนาดคงที่สำหรับเหรียญที่ยังไม่ได้ใช้จ่ายของตนเอง "สำหรับเรื่องอื่น ๆ เช่น การตรวจสอบว่า nullifier มีการใช้จ่ายที่ขัดแย้งหรือไม่ มันจะเพียงแค่ส่งคำขอไปยังโหนดเต็มหรือโหนดเก็บถาวร" Ilie ชี้ให้เห็น พร้อมทั้งเสริมว่า "การเติบโตของประวัติไม่ส่งผลต่อขนาดของหลักฐานหรือเวลาการตรวจสอบเลย"

ตรงกันข้ามกับความเชื่อที่แพร่หลายว่าความต้านทานควอนตัมจะนำไปสู่ความแออัดของเครือข่ายสูงและค่าธรรมเนียมแพง Ilie โต้แย้งว่า Compact Shielded CSV มีประสิทธิภาพสูงกว่าเครือข่ายที่ไม่ใช่ควอนตัมในปัจจุบันอย่างมีนัยสำคัญ:

"น่าประหลาดใจที่ระบบของเรามีน้ำหนักเบากว่าและเร็วกว่าแม้แต่เครือข่ายแบบดั้งเดิม แทนที่จะหนักกว่า เราจะมีค่าธรรมเนียมการทำธุรกรรมที่ต่ำกว่ามากและความแออัดของเครือข่ายที่น้อยลงอย่างมาก ไม่เพียงแต่เมื่อเป็นระบบที่รองรับยุคหลังควอนตัมอย่างเต็มรูปแบบ แต่ยังเมื่อเทียบกับระบบปัจจุบันด้วย"