图、Google Willow 晶片（资料来源： reversepcb）

图、Google Willow 晶片发布（资料来源： reversepcb)

科技的快速发展让量子运算逐渐从理论走向实现。 Google 在 2024 年 12 月推出的量子计算晶片 Willow 引起广泛关注，不仅展示了量子运算在计算领域的突破性进展，还对现有的加密技术构成潜在威胁。本篇文章将探讨量子运算的基础知识、Google Willow 晶片的技术突破、量子运算的应用场景、对加密货币的威胁，以及加密货币应如何应对这场挑战。

一、什么是量子运算？

量子运算是一种基于量子力学原理的新型计算方法，核心在于利用量子位元（qubits）来进行运算。与传统计算机的二进位元（0 和 1）不同，量子位元可同时处于 0 和 1 的叠加状态，并通过量子纠缠实现多位元之间的强相关性。

这种特性使得量子运算能够以「指数级」速度解决某些问题。例如，传统计算机可能需要数百万年才能完成的质因数分解，量子运算仅需几秒、几分钟即可完成。这对现代密码学及科学计算问题具有颠覆性意义。

为什么量子电脑能比超级电脑快？

量子电脑的优势来自于量子力学的三大核心特性：

1. 叠加（Superposition）：

• 一个量子位可以同时处于 0 和 1 的叠加态，意味着 𝑛 个量子位可以代表 2 的 𝑛 次方个状态。这让量子运算能同时探索多种可能性，大幅提升效率

1. 纠缠（Entanglement）：

• 量子纠缠使得两个量子位即使相隔遥远，其状态也能高度相关。这种特性让量子电脑在多量子位运算时能快速协作，减少延迟

1. 干涉（Interference）：

• 量子电脑可通过调整量子态的相位，放大正确答案的概率，削弱错误选项，进一步提高计算精度与速度

如果将量子电脑的运作比喻为「走迷宫」，传统 CPU 仅能逐步尝试，GPU 则能同时派出数千人探索各条路径，而量子电脑则如同拥有无数影分身，同时同步探索迷宫，直至找到出口。

二、Google Willow 晶片的技术突破

Google Willow 晶片最重要的两项重大成就如下：

• Willow 可以呈指数级减少错误，这解决了该领域近 30 年来一直在追求的量子纠错的关键挑战
• Willow 在不到五分钟的时间内完成了标准基准计算，这需要当今最快的超级电脑之一花费 10 兆（即 1025）年——这个数字远远超过了宇宙的年龄

Google 在量子运算领域的最新进展集中体现在 Willow 晶片上。与早期的 Sycamore 晶片相比，Willow 晶片拥有 105 个量子位元，是 Sycamore 的两倍。但真正的重点突破不仅在于量子位元的数量，还在于它们的品质。 Willow的量子位元的保留时间（称为T1时间）大大提高，与以前的晶片相比增加了约五倍，使它们能够更长时间地保存资讯。这无疑是确保准确性和稳定性的关键因素不仅在规模上大幅提升。

过去，量子位元的核心问题在于其脆弱性。量子运算的一大挑战在于量子位元（qubits）极易受到外部干扰，导致高错误率（当尝试增加更多量子位元时，错误率会急剧上升）。 Willow 晶片引入了一种名为 「表面码纠错」（Surface Code Error Correction） 的技术，能将物理量子位元组合成更稳定的逻辑量子位元，大幅降低错误发生的机率。这解决了量子计算领域近 30 年 来无法突破的关键问题

Google Willow 晶片透过一种称为「逻辑量子位元」的技术，成功实现了自我修正，大幅降低了错误率。这一技术的核心是量子纠错（QEC）。

图、量子运算硬体总监 Julian Kelly 介绍 Willow 及其成就（资料来源：youtube)

什么是量子纠错？

量子纠错（QEC）是一种用来解决量子计算机运行过程中发生错误的方法。由于量子位元非常敏感，即使是杂散光也会导致运算错误，因此需要量子纠错技术来降低错误率。

与传统计算机透过奇偶检查码（parity check）修正错误不同，量子计算机无法直接测量单一量子位元的状态来判断错误。因此，QEC 利用多个物理量子位元来形成一个逻辑量子位元，即使部分物理量子位元受到干扰，系统仍能恢复正确资讯。简言之，是将资讯分散在多个量子位元上，而不是集中在一个量子位元中，即使部分量子位元受到干扰，其他量子位元仍能提供足够的讯息来修正错误。

Google 的研究人员发现，通过引入更多的量子位元并对错误进行即时纠正，他们成功地大幅降低了错误率，并在最新的《Nature》期刊中发表了这一成果，称之为 “低于阈值”（below threshold）进展。这意味着在量子位数量增加的同时，错误率能够指数级下降，这是量子计算发展史上的一项重大突破。

三、量子运算的应用场景

药物开发与材料科学

量子运算能模拟分子结构，帮助研究者快速预测分子间的相互作用，从而加速新药物和新材料的发现，像是：

• 药物设计：量子计算可模拟蛋白质折叠过程，加速开发抗癌药物或疫苗，例如在新冠疫苗开发中的蛋白质结构分析。富士通的量子启发计算技术可在短短8周内，从数万亿种分子中筛选出潜在的药物候选，显著缩短药物研发时间
• 材料科学：研究新型超导材料或新能源电池，从而提升电动车电池效率和寿命。

气候建模与环境科学

量子运算可模拟气候变化的复杂过程，帮助研究者理解环境变化，并寻找解决方案。

• 气候模拟：预测未来的全球暖化趋势，提供数据支持制定减排政策
• 能源分配优化：帮助研究者设计更高效的电网系统，优化能源分配以减少浪费。富士通与德国汉堡港口管理局合作，利用量子启发计算技术优化港口区域的交通信号，减少拥堵并降低污染，实现更高效的能源使用

新能源与核融合

量子运算能模拟原子和分子的行为，加速核融合技术的研究，并开发更高效的新能源系统。

• 核融合反应模拟：帮助研究者理解反应条件，推动清洁能源革命
• 电池技术改进：通过模拟化学反应，设计出更高效、更环保的电池。德国汽车制造商戴姆勒与IBM合作，利用量子计算模拟硫分子行为，研发性能更佳、寿命更长的锂硫电池

交通与物流

• 航班调度：IBM利用量子计算同时考量机队、组员和乘客等因素，提供最佳解决方案，加速航班恢复正常运营
• 汽车制造：富士通与丰田合作，使用数位退火技术进行即时交通路线计算，成功降低物流成本

Google Quantum AI 的创始人 Hartmut Neven 指出，Willow 晶片的推出象征着商业可行的量子运算迈出了重要一步。尽管技术尚处于早期阶段，却为解决未来实际问题奠定了坚实基础。

四、量子运算对加密货币的威胁

量子运算对加密货币的威胁

随着量子计算技术的发展，加密货币的安全性正面临前所未有的挑战。目前，大多数加密货币的安全机制依赖于传统的公钥加密技术，例如椭圆曲线加密（ECC）和 SHA-256 哈希函数。然而，量子电脑的强大计算能力可能会彻底颠覆这些现有的加密标准。

1.公钥加密的破解风险

• 传统的公钥加密技术，如 RSA 和 ECC，依赖于数学上的计算困难性（如素因数分解和离散对数问题）来确保安全性
• 量子计算的 Shor 演算法能够以指数级速度解决这些数学问题，使现有的公钥加密技术变得脆弱，从而使骇客能够获取用户的私钥，盗取数位资产

2.哈希算法的风险

• 比特币的工作量证明（PoW）机制依赖 SHA-256 哈希函数来确保交易的完整性
• 量子计算的 Grover 演算法可将破解 SHA-256 的速度提升至平方根级别，虽然并不如 Shor 演算法对公钥加密那般致命，但仍可能削弱加密货币的安全性

3.交易安全性问题

• 比特币等加密货币的交易资讯在区块链网路中公开，骇客可以在尚未完成确认的交易中利用量子计算来提前破解私钥，进行未授权的交易
• 这种「先攻击、后确认」可能导致用户资产被盗取，甚至影响整体区块链的信誉

根据哈德逊研究所的报告，如果量子电脑成功破解比特币，可能导致超过 3 兆美元的市场损失，进而引发全球金融市场的动荡。随着比特币和其他加密货币成为主流投资标的，这种风险只会持续上升。但研究显示，足以破解比特币的量子电脑可能还需要至少 10 年才会出现。然而，这一风险已成为长期挑战。如果比特币的开发者社群未能及时升级安全技术，未来可能会面临极大威胁。目前，加密货币使用的加密技术在传统计算环境中仍然有效，但量子电脑的高效运算可能颠覆这一局面。

五、加密货币应对策略与发展方向

随着量子计算的不断进步，加密货币社群和研究机构正积极探索各种应对策略，以确保数位资产的安全性与区块链技术的稳定发展。这些策略涵盖了加密技术的升级、区块链协议的改进、交易安全机制的强化、法规与标准的制定，以及长期监测与合作机制的建立。

发展抗量子加密技术（PQC）

正如前文所说，由于目前的加密技术（如 RSA 和 ECC）可能被量子计算机破解，因此开发抗量子加密技术（Post-Quantum Cryptography，PQC）成为当前重要的策略之一。 NIST（美国国家标准技术研究院）正在推动抗量子加密标准的制定，其中包括：

• Lattice-based 加密：如 Kyber 和 NTRU，利用数学格理论确保安全性，已被 NIST 选定为抗量子标准之一
• Hash-based加密：如 SPHINCS+，适用于数位签名，可有效抵抗量子计算机的攻击
• 多变数方程（Multivariate Polynomial）加密：依赖于难以求解的多变数方程组来确保安全性

区块链协议升级与技术整合

除了开发新的加密技术，区块链协议本身也需要进行升级，以适应量子时代的安全需求。当前主要的区块链项目正在研究以下技术：

• 比特币（Bitcoin）：社群正在探讨如何将抗量子签名（如 Lamport 签名、Winternitz 签名）融入比特币网络，以确保交易的安全性
• 以太坊（Ethereum）：正在研究 zk-SNARKs 和 STARKs 等零知识证明技术，这些技术不仅提高隐私性，还能降低对传统加密技术的依赖
• 量子安全区块链（Quantum-Resistant Blockchain）：如 Quantum Resistant Ledger（QRL）和 QANplatform，其专门开发抗量子区块链技术，从底层架构确保交易和数据的安全性
• 区块链共识机制优化：透过新的共识算法，如抗量子 PoS（Proof of Stake）机制，来确保去中心化系统的长期稳定运行

提升交易与私钥安全机制

在量子计算机可能破解传统密码学的情况下，加密货币交易与私钥的安全性需要进一步加强：

• 多重签名（Multi-signature）技术：要求多个私钥签署交易，提高交易的安全性，降低单点攻击风险
• 阈值签名（Threshold Signature Scheme, TSS）：将私钥拆分为多个部分，在不同设备上管理，防止骇客透过量子计算破解单一密钥
• 缩短交易确认时间：透过提升网络效率，加快交易确认过程，减少私钥暴露于网络的时间。

制定法规与标准

• 制定全球标准：政府机构和国际组织（如 NIST、ISO）应与科技企业合作，制定统一的抗量子加密标准，以推动全球加密货币市场的安全升级
• 法规适应量子风险：监管机构应制定相关规范，要求加密货币交易所和钱包服务商采用抗量子安全机制，以保障投资者权益

六、结论

量子运算的发展已经进入关键阶段，Google Willow 晶片的技术突破让未来的量子时代更近一步，带来技术进步的同时，也对加密货币与金融系统构成威胁。虽然专家普遍认为足以破解比特币加密的量子电脑仍需 10 至 20 年的时间，但这场技术竞赛已经开始，华府智库哈德森研究所研究员赫尔曼（Arthur Herman）警告，量子骇客攻击如同不定时炸弹，一旦发生，可能导致 3 兆美元市场损失，甚至引发金融危机。随着比特币价格攀升至 10 万美元，其作为主流资产的地位也使其成为骇客的首要目标。未来，区块链社群、学术机构与政府监管单位将需要携手推动抗量子加密技术（PQC），并对现有区块链架构进行升级，以确保数位资产的安全性。在这场与时间的竞赛中，谁能抢先适应，谁就能在量子时代存活下来。