圖、Google Willow 晶片（資料來源： reversepcb）

圖、Google Willow 晶片發佈（資料來源： reversepcb)

科技的快速發展讓量子運算逐漸從理論走向實現。 Google 在 2024 年 12 月推出的量子計算晶片 Willow 引起廣泛關注，不僅展示了量子運算在計算領域的突破性進展，還對現有的加密技術構成潛在威脅。本篇文章將探討量子運算的基礎知識、Google Willow 晶片的技術突破、量子運算的應用場景、對加密貨幣的威脅，以及加密貨幣應如何應對這場挑戰。

一、什麼是量子運算？

量子運算是一種基於量子力學原理的新型計算方法，核心在於利用量子位元（qubits）來進行運算。與傳統計算機的二進位元（0 和 1）不同，量子位元可同時處於 0 和 1 的疊加狀態，並通過量子糾纏實現多位元之間的強相關性。

這種特性使得量子運算能夠以「指數級」速度解決某些問題。例如，傳統計算機可能需要數百萬年才能完成的質因數分解，量子運算僅需幾秒、幾分鐘即可完成。這對現代密碼學及科學計算問題具有顛覆性意義。

為什麼量子電腦能比超級電腦快？

量子電腦的優勢來自於量子力學的三大核心特性：

1. 疊加（Superposition）：

• 一個量子位可以同時處於 0 和 1 的疊加態，意味著 𝑛 個量子位可以代表 2 的 𝑛 次方個狀態。這讓量子運算能同時探索多種可能性，大幅提升效率

1. 糾纏（Entanglement）：

• 量子糾纏使得兩個量子位即使相隔遙遠，其狀態也能高度相關。這種特性讓量子電腦在多量子位運算時能快速協作，減少延遲

1. 干涉（Interference）：

• 量子電腦可通過調整量子態的相位，放大正確答案的概率，削弱錯誤選項，進一步提高計算精度與速度

如果將量子電腦的運作比喻為「走迷宮」，傳統 CPU 僅能逐步嘗試，GPU 則能同時派出數千人探索各條路徑，而量子電腦則如同擁有無數影分身，同時同步探索迷宮，直至找到出口。

二、Google Willow 晶片的技術突破

Google Willow 晶片最重要的兩項重大成就如下：

• Willow 可以呈指數級減少錯誤，這解決了該領域近 30 年來一直在追求的量子糾錯的關鍵挑戰
• Willow 在不到五分鐘的時間內完成了標準基準計算，這需要當今最快的超級電腦之一花費 10 兆（即 1025）年——這個數字遠遠超過了宇宙的年齡

Google 在量子運算領域的最新進展集中體現在 Willow 晶片上。與早期的 Sycamore 晶片相比，Willow 晶片擁有 105 個量子位元，是 Sycamore 的兩倍。但真正的重點突破不僅在於量子位元的數量，還在於它們的品質。 Willow的量子位元的保留時間（稱為T1時間）大大提高，與以前的晶片相比增加了約五倍，使它們能夠更長時間地保存資訊。這無疑是確保準確性和穩定性的關鍵因素不僅在規模上大幅提升。

過去，量子位元的核心問題在於其脆弱性。量子運算的一大挑戰在於量子位元（qubits）極易受到外部干擾，導致高錯誤率（當嘗試增加更多量子位元時，錯誤率會急劇上升）。 Willow 晶片引入了一種名為 「表面碼糾錯」（Surface Code Error Correction） 的技術，能將物理量子位元組合成更穩定的邏輯量子位元，大幅降低錯誤發生的機率。這解決了量子計算領域近 30 年 來無法突破的關鍵問題

Google Willow 晶片透過一種稱為「邏輯量子位元」的技術，成功實現了自我修正，大幅降低了錯誤率。這一技術的核心是量子糾錯（QEC）。

圖、量子運算硬體總監 Julian Kelly 介紹 Willow 及其成就（資料來源：youtube)

什麼是量子糾錯？

量子糾錯（QEC）是一種用來解決量子計算機運行過程中發生錯誤的方法。由於量子位元非常敏感，即使是雜散光也會導致運算錯誤，因此需要量子糾錯技術來降低錯誤率。

與傳統計算機透過奇偶檢查碼（parity check）修正錯誤不同，量子計算機無法直接測量單一量子位元的狀態來判斷錯誤。因此，QEC 利用多個物理量子位元來形成一個邏輯量子位元，即使部分物理量子位元受到干擾，系統仍能恢復正確資訊。簡言之，是將資訊分散在多個量子位元上，而不是集中在一個量子位元中，即使部分量子位元受到干擾，其他量子位元仍能提供足夠的訊息來修正錯誤。

Google 的研究人員發現，通過引入更多的量子位元並對錯誤進行即時糾正，他們成功地大幅降低了錯誤率，並在最新的《Nature》期刊中發表了這一成果，稱之為 “低於閾值”（below threshold）進展。這意味著在量子位數量增加的同時，錯誤率能夠指數級下降，這是量子計算髮展史上的一項重大突破。

三、量子運算的應用場景

藥物開發與材料科學

量子運算能模擬分子結構，幫助研究者快速預測分子間的相互作用，從而加速新藥物和新材料的發現，像是：

• 藥物設計：量子計算可模擬蛋白質摺疊過程，加速開發抗癌藥物或疫苗，例如在新冠疫苗開發中的蛋白質結構分析。富士通的量子啟發計算技術可在短短8周內，從數萬億種分子中篩選出潛在的藥物候選，顯著縮短藥物研發時間
• 材料科學：研究新型超導材料或新能源電池，從而提升電動車電池效率和壽命。

氣候建模與環境科學

量子運算可模擬氣候變化的複雜過程，幫助研究者理解環境變化，並尋找解決方案。

• 氣候模擬：預測未來的全球暖化趨勢，提供數據支持制定減排政策
• 能源分配優化：幫助研究者設計更高效的電網系統，優化能源分配以減少浪費。富士通與德國漢堡港口管理局合作，利用量子啟發計算技術優化港口區域的交通信號，減少擁堵並降低汙染，實現更高效的能源使用

新能源與核融合

量子運算能模擬原子和分子的行為，加速核融合技術的研究，並開發更高效的新能源系統。

• 核融合反應模擬：幫助研究者理解反應條件，推動清潔能源革命
• 電池技術改進：通過模擬化學反應，設計出更高效、更環保的電池。德國汽車製造商戴姆勒與IBM合作，利用量子計算模擬硫分子行為，研發性能更佳、壽命更長的鋰硫電池

交通與物流

• 航班調度：IBM利用量子計算同時考量機隊、組員和乘客等因素，提供最佳解決方案，加速航班恢復正常運營
• 汽車製造：富士通與豐田合作，使用數位退火技術進行即時交通路線計算，成功降低物流成本

Google Quantum AI 的創始人 Hartmut Neven 指出，Willow 晶片的推出象徵著商業可行的量子運算邁出了重要一步。儘管技術尚處於早期階段，卻為解決未來實際問題奠定了堅實基礎。

四、量子運算對加密貨幣的威脅

量子運算對加密貨幣的威脅

隨著量子計算技術的發展，加密貨幣的安全性正面臨前所未有的挑戰。目前，大多數加密貨幣的安全機制依賴於傳統的公鑰加密技術，例如橢圓曲線加密（ECC）和 SHA-256 哈希函數。然而，量子電腦的強大計算能力可能會徹底顛覆這些現有的加密標準。

1.公鑰加密的破解風險

• 傳統的公鑰加密技術，如 RSA 和 ECC，依賴於數學上的計算困難性（如素因數分解和離散對數問題）來確保安全性
• 量子計算的 Shor 演算法能夠以指數級速度解決這些數學問題，使現有的公鑰加密技術變得脆弱，從而使駭客能夠獲取用戶的私鑰，盜取數位資產

2.哈希算法的風險

• 比特幣的工作量證明（PoW）機制依賴 SHA-256 哈希函數來確保交易的完整性
• 量子計算的 Grover 演算法可將破解 SHA-256 的速度提升至平方根級別，雖然並不如 Shor 演算法對公鑰加密那般致命，但仍可能削弱加密貨幣的安全性

3.交易安全性問題

• 比特幣等加密貨幣的交易資訊在區塊鏈網路中公開，駭客可以在尚未完成確認的交易中利用量子計算來提前破解私鑰，進行未授權的交易
• 這種「先攻擊、後確認」可能導致用戶資產被盜取，甚至影響整體區塊鏈的信譽

根據哈德遜研究所的報告，如果量子電腦成功破解比特幣，可能導致超過 3 兆美元的市場損失，進而引發全球金融市場的動盪。隨著比特幣和其他加密貨幣成為主流投資標的，這種風險只會持續上升。但研究顯示，足以破解比特幣的量子電腦可能還需要至少 10 年才會出現。然而，這一風險已成為長期挑戰。如果比特幣的開發者社群未能及時升級安全技術，未來可能會面臨極大威脅。目前，加密貨幣使用的加密技術在傳統計算環境中仍然有效，但量子電腦的高效運算可能顛覆這一局面。

五、加密貨幣應對策略與發展方向

隨著量子計算的不斷進步，加密貨幣社群和研究機構正積極探索各種應對策略，以確保數位資產的安全性與區塊鏈技術的穩定發展。這些策略涵蓋了加密技術的升級、區塊鏈協議的改進、交易安全機制的強化、法規與標準的制定，以及長期監測與合作機制的建立。

發展抗量子加密技術（PQC）

正如前文所說，由於目前的加密技術（如 RSA 和 ECC）可能被量子計算機破解，因此開發抗量子加密技術（Post-Quantum Cryptography，PQC）成為當前重要的策略之一。 NIST（美國國家標準技術研究院）正在推動抗量子加密標準的制定，其中包括：

• Lattice-based 加密：如 Kyber 和 NTRU，利用數學格理論確保安全性，已被 NIST 選定為抗量子標準之一
• Hash-based加密：如 SPHINCS+，適用於數位簽名，可有效抵抗量子計算機的攻擊
• 多變數方程（Multivariate Polynomial）加密：依賴於難以求解的多變數方程組來確保安全性

區塊鏈協議升級與技術整合

除了開發新的加密技術，區塊鏈協議本身也需要進行升級，以適應量子時代的安全需求。當前主要的區塊鏈項目正在研究以下技術：

• 比特幣（Bitcoin）：社群正在探討如何將抗量子簽名（如 Lamport 簽名、Winternitz 簽名）融入比特幣網絡，以確保交易的安全性
• 以太坊（Ethereum）：正在研究 zk-SNARKs 和 STARKs 等零知識證明技術，這些技術不僅提高隱私性，還能降低對傳統加密技術的依賴
• 量子安全區塊鏈（Quantum-Resistant Blockchain）：如 Quantum Resistant Ledger（QRL）和 QANplatform，其專門開發抗量子區塊鏈技術，從底層架構確保交易和數據的安全性
• 區塊鏈共識機制優化：透過新的共識算法，如抗量子 PoS（Proof of Stake）機制，來確保去中心化系統的長期穩定運行

提升交易與私鑰安全機制

在量子計算機可能破解傳統密碼學的情況下，加密貨幣交易與私鑰的安全性需要進一步加強：

• 多重簽名（Multi-signature）技術：要求多個私鑰簽署交易，提高交易的安全性，降低單點攻擊風險
• 閾值簽名（Threshold Signature Scheme, TSS）：將私鑰拆分為多個部分，在不同設備上管理，防止駭客透過量子計算破解單一密鑰
• 縮短交易確認時間：透過提升網絡效率，加快交易確認過程，減少私鑰暴露於網絡的時間。

制定法規與標準

• 制定全球標準：政府機構和國際組織（如 NIST、ISO）應與科技企業合作，制定統一的抗量子加密標準，以推動全球加密貨幣市場的安全升級
• 法規適應量子風險：監管機構應制定相關規範，要求加密貨幣交易所和錢包服務商採用抗量子安全機制，以保障投資者權益

六、結論

量子運算的發展已經進入關鍵階段，Google Willow 晶片的技術突破讓未來的量子時代更近一步，帶來技術進步的同時，也對加密貨幣與金融系統構成威脅。雖然專家普遍認為足以破解比特幣加密的量子電腦仍需 10 至 20 年的時間，但這場技術競賽已經開始，華府智庫哈德森研究所研究員赫爾曼（Arthur Herman）警告，量子駭客攻擊如同不定時炸彈，一旦發生，可能導致 3 兆美元市場損失，甚至引發金融危機。隨著比特幣價格攀升至 10 萬美元，其作為主流資產的地位也使其成為駭客的首要目標。未來，區塊鏈社群、學術機構與政府監管單位將需要攜手推動抗量子加密技術（PQC），並對現有區塊鏈架構進行升級，以確保數位資產的安全性。在這場與時間的競賽中，誰能搶先適應，誰就能在量子時代存活下來。