后量子可验证随机函数及其在面向未来的区块链系统中的应用

可验证随机函数（简称 VRF）是一种强大的伪随机函数，可为输出的正确性提供非交互式公开可验证证明。近来，VRF 已在区块链设计中得到关键应用，例如随机信标和权益证明共识协议。据我们所知，第一代区块链系统使用了固有低效的工作量证明共识，而研究界试图通过提出权益证明方案来实现相同特性，其中资源密集的工作量证明由密码学构造来模拟。遗憾的是，那些被讨论最多的权益证明共识（例如 Algorand 和 Ouroborous 系列）并非面向未来，因为其构建模块仅在经典困难假设下安全；特别是，它们的设计忽视了量子计算的出现及其影响。在本文中，我们提出一个通用编译器，利用具有量子安全内在属性的对称密钥原语（例如非交互式零知识系统），从简单 VRF 方案获得后量子 VRF。我们的新颖方案分别通过两个高效的零知识系统 ZKBoo 和 ZKB++ 实现，以验证编译器的正确性。我们的概念验证实现表明，即使在今天，我们的方案引入的开销在真实部署中也是可接受的。我们还展示了量子安全 VRF 的潜在应用，例如量子安全的去中心化随机信标和基于抽签的权益证明共识区块链协议。