A proof of work (PoW) is an important cryptographic construct enabling a party to convince others that they invested some effort in solving a computational task. Arguably, its main impact has been in the setting of cryptocurrencies such as Bitcoin and its underlying blockchain protocol, which received significant attention in recent years due to its potential for various applications as well as for solving fundamental distributed computing questions in novel threat models. PoWs enable the linking of blocks in the blockchain data structure and thus the problem of interest is the feasibility of obtaining a sequence (chain) of such proofs. In this work, we examine the hardness of finding such chain of PoWs against quantum strategies. We prove that the chain of PoWs problem reduces to a problem we call multi-solution Bernoulli search, for which we establish its quantum query complexity. Effectively, this is an extension of a threshold direct product theorem to an average-case unstructured search problem. Our proof, adding to active recent efforts, simplifies and generalizes the recording technique of Zhandry (Crypto'19). As an application, we revisit the formal treatment of security of the core of the Bitcoin consensus protocol, the Bitcoin backbone (Eurocrypt'15), against quantum adversaries, while honest parties are classical and show that protocol's security holds under a quantum analogue of the classical ``honest majority'' assumption. Our analysis indicates that the security of Bitcoin backbone is guaranteed provided the number of adversarial quantum queries is bounded so that each quantum query is worth $O(p^{-1/2})$ classical ones, where $p$ is the success probability of a single classical query to the protocol's underlying hash function. Somewhat surprisingly, the wait time for safe settlement in the case of quantum adversaries matches the safe settlement time in the classical case.


翻译:工作证明( PoW) 是一个重要的古典加密结构, 使当事一方能够让其他当事方相信他们为完成计算任务投入了一些努力。 可以说, 其主要影响在于Bitcoin 及其基本连锁协议等加密协议的设置。 近几年来,由于它具有各种应用以及解决新威胁模型中基本分布式计算问题的潜力, 工作证明( PoW) 是一个重要的古典数据结构中块块的连接, 因此, 问题在于获得这种证据序列( 链) ( 链) 的可行性。 在这项工作中, 我们检查了在量子战略中找到这种波Ws基本链的难度。 我们证明, 波斯问题链的链会降低到一个问题, 我们称之为多解 Bernoulli 搜索, 我们为此建立了量质询的复杂性。 这实际上, 将一个临界直接产物的直径直成, 到一个平均的无结构的搜索问题。 我们的证据, 与最近积极的努力, 简化和概括的基底线( Crypilprial) 直径( Crypilptoto) listal rial tral rial rial rial) oral oral ex) oral ortistral as the the the listal listal lade lax lax lax lax lax laut lax lax lade a lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lady lax lax lax lax lax lax lax lax lax laxx lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax a lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax lax</s>

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