一、概述
随着量子计算技术进入可实用化探索阶段，传统公钥加密体系（如RSA、ECDSA、ECDH）面临潜在失效风险。量子计算能够通过Shor算法在多项式时间内破解基于大整数分解和离散对数难题的加密机制，这对区块链的密钥安全、数字签名、账户体系等基础安全架构形成挑战。为应对可能到来的“后量子时代”威胁，业界围绕抗量子计算（Post-Quantum Cryptography，PQC）方向展开研究，重点聚焦于可替代传统公钥体系的加密算法与签名方案。
目前抗量子加密算法主要集中在格密码、哈希签名、多变量多项式、公钥编码密码及同态加密等方向，并逐步出现适配区块链场景的突破。2022年，美国国家标准与技术研究院（NIST）公布首批PQC标准化候选结果，标志着抗量子密码体系从理论研究进入技术落地阶段。
二、抗量子区块链加密算法的核心突破方向
1. 基于格密码（Lattice-based Cryptography）的突破与应用加速
格密码因具备强抗量子能力、高效率与可扩展性，被认为是最有望替代现行区块链加密体系的技术方向。
主要成就与进展包括：
| 技术方向 | 代表方案 | 适用区块链用途 | 进展亮点 |
|---|---|---|---|
| 密钥交换/公钥加密 | CRYSTALS-Kyber（入选NIST标准） | 节点通信加密、链上隐私协议 | 安全高效，适合区块链网络节点加密传输 |
| 数字签名 | CRYSTALS-Dilithium、Falcon（入选NIST标准） | 账户体系、智能合约签名、跨链签名 | 签名体积优于同类PQC方案，已开始在区块链实验项目中部署 |
| 零知识证明兼容性 | 基于格构建zk-SNARK替代方案 | 隐私链、Layer2扩容 | 针对量子攻击的零知识证明体系研究加速 |
多个区块链产业实验项目已开始测试格密码部署，例如Algorand提出抗量子密钥系统升级路线，Ethereum社区亦在讨论未来将ECDSA逐步替换为PQC签名方案。
2. 哈希签名（Hash-based Signatures）在链上身份与冷存储领域的可用性提升
哈希签名依赖哈希函数的单向性，不依赖可被量子攻破的数学难题，因此具备天然抗量子能力。典型方案包括XMSS、LMS、SPHINCS+等，其中SPHINCS+已入选NIST标准化。
优势与突破点：
- 由于无须依赖复杂数学假设，安全性强且理论成熟；
- SPHINCS+通过优化，解决了传统哈希签名体积过大的问题；
- 已被多家硬件钱包与安全供应商研究用于“抗量子私钥管理”方案。
适用场景：
- 冷钱包、长周期数字资产托管；
- 高安全等级链上身份认证；
- 监管链（RegChain）数字凭证与不可抵赖审计。
3. 基于编码理论（Code-based）与多变量多项式（Multivariate）密码方案的定向突破
除格密码外，其他PQC方向也出现适配区块链安全架构的进展：
| 方向 | 代表算法 | 优势 | 限制 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 编码密码 | Classic McEliece（NIST候选） | 抗量子能力强、50年未被攻破 | 公钥体积较大 | 区块链节点通信加密、跨链协议安全信道 |
| 多变量多项式 | Rainbow 等（曾入围NIST） | 签名生成速度快 | 部分方案已被攻破，不适合作主流标准 | IoT链、轻量级链应用研究仍在进行 |
| 同态加密结合PQC | FHE+PQC复合体系 | 在量子安全框架下提供链上隐私计算 | 高计算成本 | 隐私合约、公有链隐私计算 |
尽管部分方向尚未达到链上大规模应用标准，但在特定区块链垂直领域存在价值，例如监管链、国密链（与国产密码体系融合）、金融链隐私合规计算等。
4. 抗量子密钥升级与混合签名方案的链上落地路径成形
由于区块链不可逆性和长期安全要求（特别是公链），行业正探索渐进式升级路径，而非一次性替换。主要突破包括：
- 双算法签名（Hybrid Signature）机制：同时使用现有算法（如ECDSA）+PQC方案，确保量子计算成熟前后均可兼容；
- 抗量子地址体系与钱包升级提案：如BIP（比特币改进提案）社区讨论增加抗量子签名支持；
- 跨链桥PQC升级试验：降低量子攻击对跨链资产劫持风险。
2024-2025年，多条链开始部署“抗量子加密迁移策略”，包括比特币Layer2、以太坊L2、Algorand、Cardano、Quant Network等。
三、总结与展望
抗量子区块链加密算法的核心突破主要集中在格密码与哈希签名两大方向，其中格密码由于在效率、可扩展性和通用性方面更符合区块链需求，已成为主流标准化趋势。哈希签名在高等级安全和密钥托管方面具备实际应用价值，而编码密码、多变量多项式等方案在特定场景下仍有探索空间。
未来3–5年，区块链行业将经历从“抗量子研究期”迈向“链上部署过渡期”。预计先落地的场景包括节点通信加密、链上身份、硬件钱包、资产托管与跨链安全架构。全面替换ECDSA仍需时间和生态共识，但PQC标准化趋势已明确。
抗量子密码体系的广泛部署将重塑区块链底层安全模型，为应对量子计算带来的潜在安全威胁奠定基础。
