a16z推出Aerie系統 為以太坊打造後量子時代簽章聚合方案

a16z加密研究團隊（a16z crypto research）近日正式發表名為「Aerie」的新系統，專門用於將抗量子攻擊的Falcon簽章進行高效聚合，其處理速度已足以應付以太坊規模的驗證者集合。

在工作量證明（PoS）網路中，簽章聚合是處理海量驗證者投票的關鍵機制。以太坊目前採用BLS簽章技術，能將每個時段（slot）約32,000名驗證者的投票合併為單一精簡的群元素（group element）。Solana則正在其Alpenglow升級中導入類似的聚合功能。

然而，BLS雖因優異的代數結構而運作順暢，卻面臨未來量子電腦的潛在威脅。美國國家標準與技術研究院（NIST）所標準化的後量子替代方案——包括基於晶格（lattice-based）的密碼系統——其簽章大小通常比橢圓曲線簽章大上10至100倍，且先天缺乏原生聚合能力。若無有效壓縮方式，這些龐大的簽章將導致區塊膨脹、限制吞吐量，並大幅提高節點運作成本。

Aerie正是為解決此問題而生。該系統由a16z加密研究、LayerZero Labs、卡內基梅隆大學及倫敦帝國學院的研究人員共同開發，核心作法是將基於晶格的Falcon簽章與基於晶格的SNARK（非互動式零知識證明）相互搭配。

Falcon已被NIST選為標準化方案（命名為FN-DSA），是當前最為精簡的後量子簽章機制之一。Aerie建立在「Akita」晶格多項式承諾方案之上，透過保留每個簽章的短公開鹽值（salt）於聚合結果中，使驗證者能直接重新計算所需的雜湊值。證明本身僅涵蓋代數關係與範數檢查（norm checks），避免了在SNARK內部對大量雜湊運算進行證明的沉重成本。

在效能方面，Aerie的表現相當亮眼。測試環境為僅使用CPU核心（未動用GPU）的Apple M4 Max筆電：Aerie能在0.65秒內完成32,768個Falcon-512簽章的聚合，相當於一個時段的投票量，吞吐量突破每秒50,000筆簽章；批次為16,384個Falcon-1024簽章時，亦僅需0.63秒即可完成。

產生的聚合結果約為每個簽章42位元組（含鹽值），比原始Falcon-512簽章小約16倍。單一證明的驗證時間僅需54毫秒（單核心運算），比逐一檢查個別簽章快約10倍。峰值記憶體使用量約為2.1 GB。這些數據在證明速度、驗證速度及證明尺寸上均大幅超越既有的Falcon聚合研究（如Orthus），同時亦遵循Falcon完整的位元組格式規範。

值得關注的是，Aerie採取了與以太坊現行leanVM後量子聚合路線圖截然不同的設計哲學。leanVM依賴基於雜湊的簽章與基於雜湊的SNARK，但此類設計需對每個簽章證明數百次雜湊運算，即使單一筆電也無法負荷整個時段的處理需求，必須將工作分散給多個證明者並透過遞迴方式合併中間證明。

相較之下，Aerie能針對整個批次產出單一證明，無需遞迴。這項設計消除了協調成本、縮短了時段內的關鍵路徑（critical path），並允許任何持有簽章的節點在原始聚合者失效時重新生成證明。研究人員指出，在相同硬體上，Aerie在共識簽章工作負載上的吞吐量約為leanVM的29倍，在特定交易簽章基準測試中差距更為懸殊。

由於Aerie讓單台普通筆電即可直接處理以太坊規模的批次運算，它為後量子共識機制開啟了一條更簡潔的設計路徑。同時，該技術也與已在探索Falcon的其他公鏈生態系相契合——Algorand已部署Falcon，Solana亦已對其進行評估。

研究團隊進一步指出，即使在偏好基於雜湊簽章的設計中，晶格技術仍將是私密支付與加密功能的必要選項，因為公鑰加密無法僅以黑箱方式（black-box manner）從雜湊函數中建構出來。

不過，Aerie目前仍屬研究成果階段，尚未部署為實際的協議升級。完整技術細節、安全性歸約及效能基準測試詳載於隨附的學術論文與部落格文章中。