一、谷歌的 Willow 量子芯片是什么？

谷歌的 Willow 芯片标志着量子性能的新时代，能够实现复杂的计算，对包括密码学在内的各种行业产生重大影响。

随着谷歌推出 105 量子位 Willow 芯片，量子计算已经达到了一个重要的里程碑，该芯片基于该公司突破性的 Sycamore 处理器制造。

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Willow 概述：

105 个量子位：Willow 几乎使 Sycamore 的量子位数量增加了一倍，从而释放了处理指数级更复杂计算的能力。 Willow 中的每个量子位都设计为以改进的相干时间运行，最大限度地减少量子噪声并增强计算稳定性。

纠错突破：Willow 最显著的进步之一是其在量子纠错方面的进展，这是迈向可扩展、容错量子系统的关键一步。谷歌的研究人员报告称，Willow 实现了比物理量子位更长的逻辑量子位寿命，展示了其持续性能的潜力。

速度和功率：在随机电路采样（量子计算机通过解决复杂问题来证明其能力的测试）等基准测试中，Willow 在几分钟内完成了传统超级计算机需要数十亿年才能完成的任务。这些突破凸显了该芯片在特定问题领域超越经典系统的能力。

二、量子计算与经典计算

量子计算和经典计算的根本区别在于信息的处理方式。

让我们更详细地了解这些差异：

经典计算：使用二进制位（0 和 1）顺序执行计算。即使是最快的经典超级计算机也可以通过线性级数解决问题。

量子计算：使用量子位，量子位可以以叠加状态存在（同时为 0 和 1）。当量子位纠缠时，它们会立即相互影响，使系统能够并行处理多个计算。

这种并行性使量子计算机能够在优化问题、分子模拟和密码测试等专门任务中表现出色，而经典系统由于其线性约束而在这些任务中表现不佳。

Willow 计算能力的真实示例：

药物发现和材料科学：Willow 模拟量子态的能力使研究人员能够研究复杂的分子相互作用。例如，模拟蛋白质折叠（一项计算密集型任务）可以使用量子系统更有效地执行。

气候建模：通过以量子速度求解非线性方程，Willow 可以对复杂的环境系统进行建模，从而提供有关气候变化缓解策略的见解。

优化问题：Willow 的功能扩展到解决物流挑战，例如供应链优化和财务建模，与传统方法相比，显著缩短了解决时间。

Willow 的亮相不仅凸显了量子计算的进步，还强调了它解决以前认为无法克服的挑战的潜力。

三、量子计算机如何从理论上破解密码算法

使用 Shor 和 Grover 等算法的量子计算机有可能以指数级速度更快地解决复杂问题，从而破坏传统的加密算法。

像 Willow 这样强大的量子计算机的推出引发了人们对其对加密安全影响的担忧，包括 Willow 芯片对加密货币的影响。比特币和许多其他区块链系统依赖于旨在抵御经典攻击的加密算法。然而，量子计算对其对密码安全的潜在影响引起了担忧。

公钥和私钥在比特币安全中的重要性

比特币的安全性建立在椭圆曲线密码学（ECC）之上，特别是椭圆曲线数字签名算法（ECDSA），这引起了人们对量子芯片与数字签名的担忧。公钥和私钥之间的关系至关重要：

公钥：作为接收比特币的地址公开共享。

私钥：保密并用于签署交易、证明所有权和授权资金流动。

ECDSA 背后的安全前提在于椭圆曲线离散对数问题（ECDLP），该问题对于经典计算机来说在计算上是无法解决的。如果无法访问用户的私钥，伪造有效签名或获取资金几乎是不可能的。

量子算法如何威胁密码学

然而，量子计算机可能会破坏这个安全框架。两个关键的量子算法凸显了其中的风险：

Shor 算法：可以通过快速解决整数分解等问题来破解 ECC 等加密系统，从而允许从公钥派生私钥。

Grover 算法：为暴力破解哈希函数提供二次加速。就比特币而言，这会将 SHA-256（用于工作量证明共识）的有效强度从 256 位降低到 128 位。虽然按照今天的标准这仍然是安全的，但它强调了其他哈希函数较弱的系统中的潜在漏洞。

破解比特币所需的量子能量

打破比特币的加密防御远远超出了包括 Willow 在内的当今量子计算机的能力。根据《Ledger Journal》上发表的研究：

所需的逻辑量子位：有效运行 Shor 算法至少需要 1,500-3,000 个容错逻辑量子位。

所需的物理量子位：考虑到当前的错误率，这相当于数千万个物理量子位，用于纠错。

正如艾伦·瓦茨（Alan Watts）所强调的那样，当今的系统仍处于“嘈杂的中尺度量子”（NISQ）阶段（美国理论物理学家约翰·普雷斯基尔提出的术语），其中的错误和不稳定性限制了它们的实际应用。

四、比特币当前的防御机制

比特币的安全性依赖于先进的加密算法，旨在抵御经典攻击，确保对交易和区块链网络的强大保护。

比特币的加密设计使其成为最安全的去中心化系统之一。它的防御依赖于强大的算法，使用经典计算在计算上无法破解这些算法。让我们来看看关键的保障措施，以及谷歌的 Willow 量子芯片是否对它们构成任何切实的威胁。

ECDSA 和 SHA-256：比特币安全的核心

如上所述，比特币的交易系统依赖于 ECDSA 来生成和验证数字签名。此外，比特币的 PoW 共识机制使用 SHA-256（一种加密哈希函数）来保护区块链：

矿工解决了涉及 SHA-256 的计算难题，以向区块链添加新块。

哈希函数被设计为不可逆的，这意味着从其哈希输出中逆向工程输入数据在计算上是不可行的。

Willow 对比特币构成威胁吗？

尽管谷歌的 Willow 量子芯片以其 105 个量子位标志着量子计算的一个重要里程碑，但它目前并没有对比特币的加密系统构成直接威胁。破解比特币的 ECDSA 或 SHA-256 至少需要 1,500-3,000 个容错逻辑量子位，远远超出了 Willow 的能力。如前所述，当前的量子系统的可扩展性尚不足以挑战比特币的强大防御能力。

比特币的分层加密结构结合了 ECDSA 和 SHA-256，确保了对当今量子技术的抵御能力。您可以考虑 NISQ 阶段的 Willow，其中错误和不稳定性限制了它们的实际应用。这种技术差距目前保证了比特币的加密保护措施的安全。

五、加密社区和密码学家对 Willow是否威胁比特币安全的回应

认识到量子计算带来的最终威胁，加密货币行业已积极开始研究和开发抗量子密码系统。

后量子密码学的持续努力

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 一直在引领后量子密码 (PQC) 算法的标准化工作。这些算法旨在抵御经典攻击和量子攻击。最终候选算法包括：

基于晶格的密码学：像 CRYSTALS-Dilithium 和 Kyber 这样的算法依赖于能够安全抵御量子攻击的晶格结构。

基于哈希的签名：这些签名使用加密哈希，更能抵抗 Shor 或 Grover 等量子算法。

一旦最终确定，这些标准可以集成到比特币和其他区块链系统中，以保证其安全性。

Vitalik Buterin 对以太坊安全的建议

以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 一直直言不讳地表示要为量子风险做好准备。主要建议包括：

Lamport签名：抗量子一次性签名方案，易于实现，但需要更大的存储空间。

过渡灵活性：以太坊的模块化结构使其能够比比特币更快地采用新的加密标准。例如，以太坊可以通过更新其共识机制来集成后量子算法。

Buterin 的积极主动的方法为其他区块链项目提供了蓝图。

更广泛的行业研究

杰出的密码学家和研究人员正在为抗量子技术的发展做出贡献：

Adam Back：区块链密码学的先驱，Back 强调了将 PQC（后量子密码学）集成到比特币协议中而不损害其去中心化性质的重要性。

Bill Buchanan：他在基于格的密码学和安全系统方面的工作为抵御量子攻击提供了强大的解决方案。

许多区块链项目也在探索将现有密码学与抗量子算法相结合的混合模型，以确保量子计算机变得实用时的平稳过渡。

六、关键是什么：量子突破的潜在影响

量子突破可能会影响区块链安全，带来钱包受损和市场不稳定的风险，同时推动加密防御的进步。

量子计算的兴起给比特币和更广泛的加密货币生态系统带来了量子计算风险和机遇。了解这些影响对于利益相关者至关重要。

潜在风险

钱包受损：

完全可扩展、容错的量子计算机可以从公钥导出私钥，从而实现对钱包的未经授权的访问。

如果发生这种情况，资金可能会被盗，从而破坏对比特币安全性的信任。

网络不稳定：

对量子漏洞的恐惧可能会导致市场恐慌，影响比特币的价格和采用。

从历史上看，即使是感知到的技术风险（例如分叉或协议错误）也可能导致比特币价格的大幅波动。

延迟共识：

如果量子攻击破坏了比特币的 PoW 机制，可能会导致交易验证速度变慢或网络分裂。

积极的进展

尽管风险很大，但加密行业的积极立场和加密防御方面的进步提供了积极的前景：

时间线有利于加密：专家们普遍认为，与加密相关的量子计算机至少还需要 10-20 年的时间，这为加密社区提供了充足的时间过渡到抗量子标准。

密码学的进步：后量子算法不是静态的，而是快速发展的。研究人员相信，密码学创新的步伐将超过量子进步。

加强安全态势：将 PQC 集成到区块链系统中可以使它们更安全地抵御量子和经典威胁，解决比特币安全量子威胁并增强对去中心化金融的信任。

市场稳定性和机遇

过渡规划：透明地概述其量子过渡策略的项目可能会吸引更大的投资者信心。

创新催化剂：量子突破可以推动区块链创新，例如量子安全钱包和针对后量子环境优化的去中心化系统，解决量子芯片对区块链的影响。

最后，由于与加密相关的量子计算机还需要数年时间，加密行业有时间适应，确保更强大、更安全的去中心化未来。