关于量子计算究竟是什么，以及为何它对比特币构成严重威胁的简要说明

本周，谷歌发布了一篇论文，描述了量子计算机如何在理论上推导出比特币私钥的过程，9 分钟，其影响范围延伸至以太坊、其他代币、私人银行业务，以及可能涵盖世界上的一切。

量子计算容易被误认为是更快的常规计算机版本。但它并不是更强大的芯片或更大的服务器农场。它是一种根本不同类型的机器，其差异体现在原子级别。

量子计算机始于一段极其寒冷且极其微小的金属环，在此环中，粒子的行为方式不同于地球上常规条件下的表现，这种行为改变了我们对物理基本规则的认知。

理解那在物理层面上的含义，是区别于仅仅了解量子威胁与真正掌握它的关键。

计算机与量子计算机的实际工作原理

传统计算机以比特的形式存储信息——每个比特要么是0，要么是1。比特是一种微小的开关。从物理层面来看，它是“芯片”上的一个晶体管——一个微观的门控装置，能够允许电流通过（1）或阻断电流（0）。

每一张照片、每一笔比特币交易、你曾输入的每一个字，都是通过这些开关的开或关状态模式来存储的。位（bit）本身没有任何神秘之处；它是一个处于两种明确状态之一的物理对象。

每一次计算实际上都是以极快的速度重新排列这些0和1。现代芯片每秒可以进行数十亿次这样的操作，但依然是一次一个、按顺序进行。

量子计算机使用被称为量子比特的单元，而非传统的比特。量子比特可以是0，1，或者——这也是最奇妙的部分——两者同时存在！

这成为可能是因为量子比特是一种完全不同类型的物理对象。最常见的版本，也是谷歌采用的，是一个微小的超导金属环，冷却至接近绝对零度以上约0.015摄氏度，温度比外层空间还低，但却位于地球上。

在该温度下，电流在回路中无阻力流动，电流被称为处于量子态。

在超导环路中，电流可以顺时针流动（称为0）或逆时针流动（称为1）。但在量子尺度上，电流无需选择单一方向，实际上可以同时向两个方向流动。

不要将其误认为是在两者之间快速切换。电流在实验上、可测量地并且可验证地同时处于两种状态。

令人难以置信的物理学

到目前为止还跟得上吗？很好，因为接下来情况就真正变得奇怪了，因为其背后的物理原理并不直观，而且本来也不应该直观。

人们日常生活中所接触的一切均遵循经典物理学，该学说假设物体在某一时刻处于某一特定位置。但在亚原子尺度上，粒子并非如此表现。

电子在被观察之前没有确定的位置。光子在被测量之前没有确定的偏振状态。超导环中的电流在被强制选择方向之前没有确定的流动方向。

我们在日常生活中未曾经历这一现象的原因是退相干。当量子系统与其环境——空气分子、热量、振动和光——相互作用时，叠加态几乎会瞬间坍缩。

足球不可能同时出现在两个地方，因为它每一纳秒都与数万亿个空气分子、尘埃、声音、热量、引力等相互作用。但如果将一股微小电流置于近绝对零度的真空中，且屏蔽掉所有可能的干扰，量子行为便能存续足够长的时间以进行计算。

这就是量子计算机如此难以制造的原因。科研人员正在设计物理环境，在这些环境中，通常阻止此类现象发生的物理定律被有效延缓，仅维持足够的时间以完成计算。

谷歌的机器运行在如同巨大房间大小的稀释制冷机中，其温度比自然界中任何物体都要低，且被多层屏蔽包围，以防止电磁噪声、振动和热辐射的干扰。

而且量子比特非常脆弱 即使如此。它们不断丧失量子态，这就是为什么“误差校正”成为所有关于扩容讨论的核心。

因此，量子计算并不是经典计算的更快版本。它利用的是一套不同的物理定律，这些定律仅适用于极小的尺度、极低的温度以及极短的时间范围。

现在将其叠加起来。

两个常规比特可以处于四种状态之一（00、01、10、11），但同一时间只能处于一种状态（因为电流仅单向流动）。而两个量子比特可以同时代表所有四种状态，因为电流同时在所有方向流动。

三比特量子位代表八种状态。十比特量子位代表1,024种状态。五十比特量子位代表超过一千万亿种状态。每增加一个比特量子位，状态数便翻倍，这正是其规模呈指数增长的原因。

第二个技巧称为纠缠。当两个量子比特纠缠时，测量其中一个会立即让观察者了解到另一个的情况，无论它们相距多远。 这使得量子计算机能够以传统并行计算无法实现的方式协调所有这些同时存在的状态。

这些量子计算机的设计原理使得错误答案相互抵消（如重叠的波浪彼此平坦化），而正确答案则相互加强（如波浪层叠更高）。在计算结束时，正确答案具有被测量的最高概率。

因此，这并非蛮力速度。这是一种根本不同的计算方法——它让自然探索指数级庞大的可能空间，然后通过物理规律而非逻辑，收敛到正确答案。

对密码学的重大威胁

这种令人费解的物理现象正是加密技术令人恐惧的原因。

保护比特币的数学基础依赖于这样一个假设：检查每一个可能的密钥所需的时间将超过宇宙的年龄。

但量子计算机并不会逐一检查每个密钥。它同时探索所有密钥，并利用干涉效应来显现正确的那个。

这就是它与比特币的关联所在。沿着一个方向，从私钥到公钥，只需几毫秒。沿着相反方向，从公钥回到私钥，传统计算机则需要百万年，甚至更长时间，超过宇宙的年龄。正是这种不对称性唯一证明了持有人确实持有他们的币。

运行名为 Shor 算法的量子计算机可以逆向穿过那个陷门。谷歌本周发表的论文显示，其所需资源远少于此前任何人的估计，且完成时间足以与比特币自身的区块确认速度一较高下。

这就是量子计算机破解区块链加密威胁真正让所有人感到非常担忧的原因。

此次攻击的具体步骤、谷歌论文所作的具体修改，以及这对6.9百万枚已暴露比特币的影响，均是本系列下一篇文章的主题。