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破解加密货币需要数百万个量子比特。

编译 | Light

出品 | 科技智谷

在过去十年中，计算编程稳步发展并进入量子领域，产生了令人费解的设备，这些设备有望实现不可思议的计算效率。

例如，在 2020 年，中国科学家利用一台量子计算机来运行一个数学问题，而这个问题需要一台典型的超级计算机 25 亿年才能解决，而使用量子机却在 200 秒内解决了这个问题。

量子计算改变我们与自然互动的方式，它可以通过快速筛选分子结构来超快速跟踪药物发现，这是 IBM 与克利夫兰诊所合作探索的壮举。它可以将互联网安全推向近乎不可破解的程度，从而引起美国能源部的关注。甚至制造公司，如汽车巨头宝马，也进入了量子游戏，因为它可以完善材料科学并重写人工智能的框架。

我们可能正处于量子革命的边缘，科学家可以以创纪录的速度开发药物，以令人难以置信的确定性预测天气，并在物理学上发现新的角度。

说到这里作者想到了一个有趣的问题：最强之矛量子计算机能够戳穿最强之盾加密货币吗？

为了判断我们目前在量子时间线上走了多远，英国初创公司 Universal Quantum 的量子架构师马克 · 韦伯（Mark Webber）和他的团队计算了理论上破解比特币所采用的强大安全系统所需的量子比特数量，这种分散的数字货币一直是一项不稳定的投资，吸引了埃隆 · 马斯克（Elon Musk）的注意力，并成为金融革命迫在眉睫的象征。最终的答案是？比 IBM 仅 127 量子位的处理器多出数百万个才有可能实现突破。

01

加密货币的量子弱点

以区块链技术为基础的加密货币，如大名鼎鼎的比特币的安全系统被认为对经典计算机具有超安全性，这就是为什么它提供了一种衡量量子计算能力的绝佳方法。

每次加密货币进行交易时，都将生成一个对所有人都可用的公钥和一个仅对使用者可见的安全私钥，然后，这个关键组合以数字方式 " 写入 " 到系统内的货币交易分类账上，即区块链。

在那之后，交易将再次 " 锁定 "，从而阻止任何人对相关资金做任何事情。但有一个盲点：" 当有人用比特币进行交易时，它会向全世界宣布，但在它被集成到区块链之前，它并不完全安全，" 韦伯说。

换句话说，在事务的公开声明和集成之间，存在一个漏洞窗口。从技术上讲，在这个窗口内，资金可以操纵。之所以说从技术上来讲，是因为这需要非常复杂的算法，即使是最强大的超级计算机也没有足够的计算能力来执行它们，除非使用的是量子计算机。

" 如果你确实有一台量子计算机，它可以足够快地运行，理论上你可以把它定期应用于交易，例如，将它们重新转移到不同的地址，" 韦伯说。

虽然窗口的一般范围从 10 分钟到一天不等，但韦伯说，它的有限性使其成为一个特别好的测试，因为它 " 我们有一个理想的运行时，我们需要多少个量子位？

在我们进一步讨论之前，让我们讨论一下所有这些量子比特功率的起源，这要归功于两个令人眼花缭乱的量子特征，即叠加和纠缠。

02

奇妙的量子计算机

假设我在桌子上旋转一枚硬币，然后问：" 它是正面还是背面？你可能会说，" 什么？" 因为我的问题没有多大意义。在硬币落在一边之前，它基本上同时作为两个选项存在，而这枚令人眼花缭乱的硬币在旋转过程中就可称为 " 叠加态 "。

如果你打断它的叠加来检查它的状态，也就是说让硬币停止旋转的你无法恢复确切的不确定状态，一旦你打破了叠加，它就永远被打破了。

现在让我们修改一下案例，把两枚硬币放在一起旋转。这一次，我有一个条件。如果硬币 A 落在头顶上，硬币 B 也会落在头顶上，这些硬币现在可以说是相互依赖。每个硬币的叠加都与另一个硬币 " 纠缠在一起 "。

对硬币 A 的叠加度的调整会立即影响硬币 B，即使硬币位于宇宙的两端。例如，即使只有硬币 A 停止旋转，您也会获得有关硬币 B 的相关信息，从而也打破了它的叠加，这听起来也是正确的。

好吧，你可能会想：这些类比取决于观察者的头脑。你是对的。但那是因为我们谈论的是硬币。对于像电子和光子这样的量子粒子，这些事情真的，物理上发生了。

回到量子计算的领域，叠加决定了量子位（即量子比特）的状态。经典位以 0 或 1 的形式存在，但是由量子粒子组成的量子位可以同时处于叠加状态 0 和 1，最重要的是，它们在仍处于该状态时检索数据。

你可以想象，量子位以深不可测的速度进行计算，同时测试几次迭代，并与其他量子比特纠缠在一起，以瞬间传输信息。这是一般的要点。

在上下文中，谷歌和 IBM 量子计算机使用所谓的超导量子硬件在网格上均匀分布量子位。相邻的量子位可以纠缠以传递信息。Webber 的公司专注于捕获离子硬件，这允许量子位自由移动并在网格上的任何地方进行协作。然而，无论哪种方式，更多的量子位等于指数级的计算能力。

但是，这些量子位中有多少必须同步才能利用比特币的漏洞窗口？

03

让量子计算机成为黑客

比特币交易有一个窗口，在此期间它们容易受到量子计算机的攻击，但不是经典计算机，绝对不是人，这是因为量子系统充满了量子比特，它们以人脑几乎无法理解的速度发射并执行计算。

利用外部研究，韦伯列出了需要多少量子位才能穿透这个窗口，发现了一些可靠的计算。但回想一下，如果量子计算机出现任何问题，叠加就会中断，所有宝贵的量子数据都可能永远丢失。

为了防止这场灾难，量子程序员做了一些相当直观的事情。他们只是使用更多的量子比特。这被称为量子纠错。

为了简化，他们在每次计算中都抛出一大批量子比特，以增加获得正确数据的机会。例如，如果 9/10 量子位提供了相同的解决方案，那么可以肯定地说这是正确的。

" 拥有一个相当高质量的逻辑量子位并不容易，几乎就是从 1000 个物理量子位中挑选一个最优的，" 韦伯说。因此，他将最初的估计乘以 1000，得到最终的答案。即在一小时内入侵比特币需要大约 3.17 亿个量子比特，如果你想 10 分钟就完成这件事，那么所需的量子比特将是一个更大的数字，他说。" 可能是六倍之多。" 这将使量子比特的数量达到数十亿，目前人类的量子计算机还未达到它的零头。

" 如果你想更慢地破解它，它总体上需要更少的量子比特，如果是在一天内完成破解的话，它大约 1300 万个量子比特，"" 韦伯补充说。

韦伯并不是唯一一个考虑量子计算如何绕过加密货币安全的人。例如，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）正在寻找量子证明加密算法，以确保加密货币的安全，而以太坊基金会（Ethereum Foundation）正在研究量子电阻的概念。

但是要真正达到通过量子计算机入侵加密货币之前，我们还有很长的路要走，不过正如经典计算机曾经走过的路那样：从 10 位的真空管到现在每秒计算 500 多亿次只走了半个世纪，每年其算力都将呈指数级增长。

原文：《Quantum hackers could break bitcoin in minutes, but don't panic just yet》

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