多少量子比特破解區塊鏈

『壹』 量子計算、人工智慧與區塊鏈

量子計算、人工智慧與區塊鏈
未來5年到10年，是全球新一輪科技革命和產業變革從蓄勢待發到群體迸發的關鍵時期。隨著全球新一輪科技革命的飛速發展，顛覆性技術革新風起雲涌，其中最引人矚目的包括量子計算、人工智慧與區塊鏈等。這些顛覆性技術與中國傳統文化有無聯系？與基礎科學（如數學、物理學）有何關系？如何客觀認識這些前沿技術？本期特刊發2018年1月獲中華人民共和國國際科學技術合作獎的美國籍理論物理學家、中國科學院外籍院士張首晟的報告。
目前，量子計算、人工智慧與區塊鏈是整個信息技術行業中最重要的三大基礎技術。在將來，要使信息技術真正能夠得到跨越發展，必須重視基礎科學，既需要物理學，又需要數學，因為物理和數學跟信息技術革命有緊密的聯系。

天使粒子」的發現改變了量子計算機的研發困境
在講量子計算之前，先講一講跟「天使粒子」有關的科學發現故事。現代很多有意思的科學發現，都跟哲學觀念的改變有所關聯，包括中華民族那些根深蒂固的古老哲學觀念。比如，好像世界從來都是正負對立的世界，有正數必有負數，有陰必有陽，有善必有惡。這種對立的世界觀，在基本粒子的物理世界裡也有呈現。
歷史上曾有一位非常偉大的理論物理學家狄拉克，他把愛因斯坦的狹義相對論和量子力學統一起來，在統一的過程中他做了一個非常簡單的數學運算，開了一個根號。在開根號的時候，始終會出現正負兩個解，一般人可能只關心「正解」，不關心「負解」。狄拉克把「負解」解釋成所有的粒子必然有反粒子，並預言所有的粒子必然有反粒子。
1928年的時候，物理界並沒有發現反粒子，大家都對他提出非常大的質疑，說他的方程肯定不對。他堅持自己的方程是對的。過了5年，他非常幸運，果然在宇宙輻射的射線裡面，物理學家找到了電子的反粒子，就是正粒子，命名為狄拉克海。
此後，基本粒子物理了有質子找到了反質子，有中子也找到了反中子，並且得到了應用。比如正電子在醫療領域裡面已經有了廣泛應用，有一種醫療測試叫PET，利用正電子和負電子可以成像，要測阿爾茲海默症，最好的辦法就是做PET。
今天，中國人對科學發展非常關心。科學發展最大的驅動力是什麼？我認為是對生活的好奇心。歷史上的理論物理學家，如牛頓，在蘋果樹底下，蘋果掉下來激發了他的靈感，萬有引力就發現了。愛因斯坦在坐電梯的時候，感覺到電梯的上下和引力的作用非常相似，由此創造了偉大的廣義相對論。
另外，科學的發展應該不迷信權威。狄拉克成為非常有名的理論物理學家後，科學家都非常堅信在世界上有粒子，必然有反粒子。但另外一位偉大的理論物理學家馬約拉納，他出於好奇心，問世界上會不會有一些粒子並沒有反粒子？他發明了馬約拉納方程，這個方程奇妙地描寫了有一種粒子沒有反粒子，或者它自己就是自己的反粒子。
後來，整個物理學界都在找夢寐以求的兩個粒子，一個粒子叫「上帝粒子」，2012年在歐洲的加速器中找到，預言它的那位物理學家希格斯得了諾貝爾獎，還有一個就是「馬約拉納費米子」。
我是做理論物理工作的，理論物理學家的工作一般是作出預言，讓實驗物理學家來測試。我的實驗小組在2010年的時候就預言了在一個組合型的器件裡面可以找到馬約拉納費米子。不過我們還需要找到一個信號能夠證明這種粒子的存在。
有一天，我想馬約拉納粒子只有一面，沒有反面，所以在某種意義上它是通常粒子的一半。我們理論小組做了大膽的預言：既然馬約拉納粒子跟通常粒子不一樣，在某種意義上它只是通常粒子的一半。所以它的電導率會不一樣，通常的粒子電導率是0、1、2、3整數倍，它必然會導致半整數倍的電導台階。我們預言它會有0.5或1/2的台階。後來我們理論小組就和實驗小組做了一個緊密的合作，做了實驗觀察，的確在0.5的地方，大家可以看到是實驗的原始圖案，在0.5的地方出現了台階，證明了馬約拉納費米子的存在。我們取名為「天使粒子」，大家非常喜歡這個名字。
「天使粒子」跟信息技術發展有什麼關系？
現在的計算機已經分成兩類，經典計算機和量子計算機。有些問題經典計算機就很容易解決，比如把兩個大的數乘起來，經典計算機可以算得很快。但一個數看能不能拆成另外兩個數的乘積，比如15可以寫成3乘以5，這個數比較小的話你自己也可以算出來。但是給你一個很大的數，經典的計算機要算這個數到底是不是兩個數的乘積需要花很長的時間，因為它用的演算法是窮舉法，把所有可能被除的數一個個除過來，最後才能確認這到底是不是兩個數的乘積，經典計算機算起來非常慢。
經典計算機只能用窮舉法，最後才算出一個答案。但量子世界是非常神奇的世界，是平行的世界。比如一個著名的試驗，如果我放出一個粒子，比如光子，它有兩個孔，要不是左邊，要不是右邊。但是量子世界有一種本真的平行在裡面，一個基本粒子在某一個瞬間同時穿過了兩個孔。要麼是左，要麼是右的話，圖像就不是顯示的圖像。
量子的世界本身是平行的。如果用量子世界來做計算的話就能夠秒算，把所有的可能性一下子算出來，因為量子世界有它本真的平行性，這是量子計算最基本的概念。但是要真正造出這個量子計算機是非常困難的，比如最基本的單位，經典計算機最基本的單位是比特，就是信息要不是0就是1，用0、1就能夠表達所有的信息，這是經典計算機的概念。但在量子世界裡面，一個粒子同時穿過左孔，又穿過右孔，處在某一種疊加的狀態。一個量子比特講不清是0還是1，它是處在0和1疊加的狀態裡面。大家聽一個比喻，薛定諤貓就處在死和活的疊加狀態裡面。這是一種非常奇妙的現象。但是由於這種基本的現象，說明一個量子的比特本身是不太穩定的，你去觀察一下周圍就知道它要不就是在左邊，要不就是在右邊，要不是0，要不就是1，任何一個雜訊就會對量子比特產生很大的干擾。
最近，量子計算機成為全球和美國著名公司特別關注的東西，谷歌、微軟、IBM、英特爾都在做投資，但根本上不能解決這個問題，因為一個量子比特是非常不穩定的，如果哪天告訴我們做了50量子比特，但關鍵的問題是有用的比特是多少，如果只有一個有用的比特，往往在這種量子計算的框架下需要10個、20個甚至40個、50個糾錯的比特來為它服務，使得量子計算很難真正實現。
但天使粒子的發現根本改變了量子計算機研發的困境，這是從量變到質變的過程。量子比特本身自帶糾錯的能力，就是我把通常一個量子比特能夠拆分成兩個天使粒子的。通常的粒子有兩面，天使粒子只有一面，所以天使粒子通常只相當於一個粒子的一半。所以通常一個量子比特就可以用兩個天使粒子來儲存它。一旦用了兩個粒子儲存它，它們在遙遠的地方，它們相互是有糾纏的。在經典世界裡面的噪音，它們相互之間是沒有糾纏的，這樣的話就沒法用雜訊來破壞由天使粒子所儲存的量子，所以這是一個革命性的改變。
所以，我在不久前在美國物理學會演講，說天使粒子是激動人心的發現，用來做量子計算機是多少比特就多少比特，不用附加糾錯的比特，自帶糾錯功能，這會對量子計算機的研製起到突飛猛進的作用。

機器人哪一天能夠做科學發現，那一天智能機器就超過人了
人工智慧作為一個基本概念，20世紀60年代就已經提出來。今天人工智慧能夠有突飛猛進的發展，主要是很多新技術的匯總。根據摩爾定律的迭代，每過18個月能夠翻倍，如果用量子計算的話，就不只是按摩爾定律18個月翻倍，而是完全從量變到質變。這些年來，人類計算能力不斷增長。互聯網和物聯網的誕生，產生大量的數據。智能演算法有突飛猛進的變化。大數據能幫機器學習。不過，人工智慧的基礎是各種數據，再好的演算法，再強大的計算機沒有數據的話也無法成為人工智慧。
人工智慧，現在雖然看到了它在突飛猛進，但我覺得還處在非常早期。為什麼這么講呢？做一個簡單的類比，比如我們曾經看到鳥飛，人也非常想飛，但早期學習飛行只是簡單仿生，在人類的手臂上綁上翅膀，這就是簡單的仿生，但真正達到飛行的境界是由於人類理解了飛行的第一性原理——空氣動力學，有了物理原理和數學方程之後就可以人為設計最佳的飛行器，現在的飛機飛得又高又快又好，但並不像鳥，這是非常核心的一點。
現在人工智慧多是在簡單地模仿人的神經元，但我們更應該思考的，是在這裡面有一個基礎科學重大突破的機會，我們要真正去理解那個智慧和智能的基本原理，這樣才能真正使人工智慧有根本性的變化。
到底用什麼樣的依據能夠真正衡量人工智慧達到人的標准？有人可能聽說過圖靈測試，圖靈測試是說人跟機器對話，但不知道對方到底是人還是機器。整個對話的過程中，你如果花了一天的時間根本感覺不出來，那就說明機器人好像已經達到人的水平。雖然圖靈是一個偉大的計算機科學家，但我並不贊同這個判斷方法。人的很多情感並不是理性的情感，要讓一個理性的機器學一個非理性的人的大腦可能並不是那麼容易。
所以我想提出一個新判斷方法，智能機器人哪一天真正擁有超越人的智力？我認為人最偉大的一點，就是我們能夠有科學的發現，哪一天機器人真能夠做科學的發現，那一天機器就超過人了。
最近我在人工智慧方面寫了一篇文章，將會在美國的科學院雜志上發表，裡面會提到，人類最偉大的科學發現，有相對論、量子力學等，在化學裡面最偉大的發現就是元素周期表的發現。智能機器在沒有任何輔導的情況下，能不能自動發現元素周期表？可不可以幫助人類發現新葯，用機器學習的辦法能否發現新材料？這些是判斷人工智慧水平的標准。

實現區塊鏈和人工智慧互相共存發展，它們會是最有價值的
在今天的世界，個人會產生出很多數據，個人的基因數據、醫療數據、教育數據、行為數據等，這是發展人工智慧特別需要的。很多數據都是掌握在中心機構裡面，沒有達到真正的去中心化。區塊鏈的產生，能夠產生一個去中心化的數據市場。
我把區塊鏈的整個理念用一句話來描寫，叫「In Math we trust」，這種理念是建築在數學基礎上的。整個區塊鏈和整個信息技術領域裡面最基礎的東西，是基礎數學，是能在數據市場裡面保護個人隱私，又能夠做出合理的統計性的計算。比如有一種非常神奇的計算方法叫零知識證明，它能夠向你證明我的數據是非常有價值的，但又不告訴你真正隱私的數據在哪兒。
有了區塊鏈之後，數據市場能夠使社會變得更加公平。現代社會最大的不公平是人們容易歧視一些少數派。但在機器學習的過程中最需要的就是那些少數派擁有的數據。如果今天機器學習的精準率達到90%了，使90%提高到99%，它需要的不是已經學過的數據，而是跟以前不一樣的數據。往往是少數的數據對機器學習來講是最有價值的。一旦我們的數據建築在區塊鏈的基礎上，再加上這些奇妙的數學演算法之後，我們就能夠擁有良性的數據市場。在這個世界裡面，達成區塊鏈和人工智慧互相共存的理念，它們是會最有價值的。
整個區塊鏈，大眾對它的認識還不是最根本的第一性原理認識。用最基本的物理學原理來講，達成共識就好比大家都同意同一個「賬本」，相當於在物理學裡面，磁鐵本來是雜亂無章的，但到了鐵磁態裡面它們指向的方向都是同一樣的。
達成共識在自然世界裡面也有，這種現象叫熵減的現象。達成共識，大家都朝一個方向的話，這個狀態的熵遠遠比雜亂無章的熵要小。達到這個共識是非常難的，因為熵總是在增的。
在區塊鏈上能達到一個共識系統都是用一種演算法，需要消耗能量。這件事情聽起來不合理，賬戶為什麼要耗費能量，但從物理學第二定理來講，這是非常合理的一件事情，因為達成共識本身是熵減，但整個世界的熵一定要增加，所以在達成共識的同時一定要把另外一些熵排除出去。這種沒有中心化的機制跟自然世界裡面磁鐵從雜亂無章的狀態達到有序的鐵磁狀態非常相像，消耗能量付出代價也是必然的趨勢。
所以理想的信息世界，是未來每個人擁有自己所有的數據，完全去中心化的儲存，這樣黑客也不可能黑每個人的數據。然後用一些加密的演算法在區塊鏈上真正能夠達到既保護個人的隱私，又能夠做出良好的計算，不會發生像Facebook中很多個人的數據被盜用那樣的事情。
今天我們要解決的量子計算、人工智慧、區塊鏈技術的問題，都是整個人類的問題，中國科學家會面臨非常大的機遇，除了要把應用科技做好，還應該有真正原創的基礎科學突破，比如上述介紹的物理和數學原理，盡管這些東西聽起來比較抽象，比如熵增原理，正負電子。世界的奇妙，正在於基礎科學能夠給整個信息技術行業提供廣闊的全新發展前景。

『貳』 為什麼說量子計算機可輕易破解比特幣，究竟怎麼

摘要：在位於紐約市以北約50英里處僻靜鄉村中的一個小型實驗室內，天花板下纏繞著錯綜復雜的管線和電子設備。這一堆看似雜亂無章的設備是一台計算機。它與世界上的任何一台計算機都有所不同，而是一個即將開創歷史的里程碑式設備---量子計算機。

2017年5月3日，科技界的一則重磅消息：世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機誕生。這個「世界首台」是貨真價實的「中國造」，屬中國科學技術大學潘建偉教授及其同事等，聯合浙江大學王浩華教授研究組攻關突破的成果。
如果現在傳統計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。在過去的幾個月里，IBM和英特爾已經宣布他們已經分別製造了50和49個量子比特的量子計算機。有專家指出，在十年之內，量子計算機的計算能力就可能趕超當前的超級計算機。

2018年3月5日在洛杉磯舉行的美國物理學年會上，谷歌量子AI實驗室研究科學家Julian Kelly報告了，帶領谷歌團隊正測試一台72量子比特通用量子計算機。然而，這還是僅僅是72量子比特而已。按照這個速度發展下去，很快量子計算機的神通，將強勁得讓人恐懼。
那麼，為什麼說量子計算機可輕易破解比特幣，究竟怎麼回事？
要破解現在常用的一個RSA密碼系統，用當前最大、最好超級計算機需要花60萬年，但用一個有相當儲存功能的量子計算機，則只需花上不到3個小時！也就是說，從電子計算機飛躍到量子計算機，整個人類計算能力、處理大數據的能力，就將出現上千上萬乃至上億次的提升。在量子計算機面前，我們曾經引以為豪的傳統電子計算機，就相當於以前的算盤，顯得笨重又古老！

雖然比特幣協議使用的是不對稱的加密貨幣，用相應的公鑰驗證私鑰簽署的交易，以確保比特幣只能被合法所有人使用。使用當前可用計算機強制私鑰與公鑰保持一致不可行，但量子計算機卻可以解決不對稱加密貨幣的問題。
另外，比特幣的規定是處理得更多的那個區塊加入區塊鏈，另一個區塊則作廢。舉個例子，這就像於在一個賬簿里有51個人說你在銀行存了100塊錢，而49個人說你存了50塊錢，這種情況下，區塊鏈演算法少數服從多數，銀行認為你存了100塊錢是真，存了50塊錢是假。所以一旦一位礦工擁有51%的算力，其他後續礦工將無法繼續獲得比特幣。

Andersen Cheng，英國一家網路安全公司的聯合創始人，他表示在量子計算機投入使用的那一天，比特幣就會終結。你覺得呢？

『叄』 量子計算機會破壞比特幣和互聯網嗎

• 在當前情況下，量子計算機無法幫助進行比特幣挖礦
• 轉向量子計算機不會影響挖礦速度，因為隨著價格的飆升，挖礦難度也會增加
• 確實，量子演算法的推出將使傳統的加密貨幣系統面臨風險

量子計算機對比特幣挖礦的影響

在目前的情況下，我們沒有這樣的量子演算法，但是如果將來我們發現它，該怎麼辦？眾所周知，比特幣旨在識別挖礦速度，並且同樣提高了挖礦難度。意味著找到演算法後難度將變得更加復雜。

實際上，現在實際上不可能使用普通計算機進行挖礦，因此礦工使用ASIC晶元來挖比特幣。當前，使用了兩種加密貨幣，RSA和橢圓曲線加密貨幣。實際上，這兩種加密貨幣方法都容易受到量子計算機的攻擊。 根據Anastasia的說法，我們只需要2500 cubits即可中斷algoant中斷EC，而需要約4000 cubit才能中斷RSA。

黑客可以識別比特幣錢包地址

在當前情況下，硬分叉是不可能的，因為許多用戶丟失了他們的錢包地址和硬幣。現在，令人擔憂的因素是，量子計算機可以輕松地幫助追蹤那些丟失的錢包，而黑客可以使用此類計算機解密並獲取此類丟失的硬幣。

但是，主要的關注點是量子計算機的研究。此類計算機系統的進入將使加密貨幣系統面臨風險。該系統可能是比特幣的破壞者。

『肆』 量子計算機距離破解密碼學技術還有很多年

Sankar Das Sarma 說：「我滿懷希望，並且堅信量子計算是一種潛在的顛覆性技術，」但量子計算機離破解密碼還差得很遠。

凝聚態理論物理學家和量子信息專家 Sankar Das Sarma 在《麻省理工 科技 評論》中指出，量子計算機距離破解基於 RSA 的密碼學還有很長的路要走。

RSA-Cryptography 利用演算法、代碼和密鑰對私人數據進行安全加密，不受第三方或黑客等惡意行為者的干擾。加密方法的一個例子是創建一個生成公共地址和私鑰的新錢包。

量子安全被視為區塊鏈和加密領域的一個主要問題，人們普遍認為，強大的量子計算機有一天會變得足夠先進，可以破解當前的密碼學問題。這可能導致價值數十億美元的數字資產被盜，或使區塊鏈技術陷入停頓。有許多項目致力於開發量子證明密碼學和區塊鏈。

Sarma 目前擔任馬里蘭大學凝聚態物質理論中心的主任，並在本周早些時候通過技術評論概述了他的想法。

這位物理學家說，他「對我最近看到的一些量子計算炒作感到不安」，並喜歡這項技術的當前狀態是「一項巨大的科學成就」。然而，這讓我們「離擁有一台可以解決任何人都關心的問題的量子計算機更近了一步」。

「這類似於嘗試使用 1900 年代初期的真空管製造當今最好的智能手機。」

這位物理學家強調了質因數分解，其中「量子計算機可以解決以指數速度比所有經典方案更快地找到大數的質因數的難題」，但破解密碼學目前遠遠超出了當前計算能力的掌握范圍。

Sarma 指出「量子比特」是一種量子對象，如電子或光子，可以增強量子計算機的能力：

「當今最先進的量子計算機具有數十個去相干（或「嘈雜」）物理量子比特。建造一台可以從這些組件中破解 RSA 代碼的量子計算機將需要數百萬甚至數十億量子比特。」

「其中只有數萬個將用於計算——所謂的邏輯量子位；其餘的將用於糾錯，補償退相干，」他補充說。

雖然 Sarma 對敲響密碼警鍾猶豫不決，但他確實指出，真正的量子計算機將「擁有今天難以想像的應用」。這與沒有人能夠預測 1947 年製造的第一個晶體管會導致這個時代的筆記本電腦和智能手機的方式相同。

「我滿懷希望，並且堅信量子計算是一種潛在的顛覆性技術，但聲稱它會在不久的將來為銷售服務或產品的真實公司帶來數百萬美元的利潤，這讓我非常困惑， 「 他說，

盡管距離危險還有一段距離，但許多公司已經在努力加強量子安全性。Cointelegraph 上個月報道稱，美國銀行業巨頭摩根大通公布了一項關於抗量子計算攻擊的量子密鑰分發區塊鏈網路的研究。

Xx 實驗室還推出了一個區塊鏈，它聲稱是一個「抗量子且注重隱私的區塊鏈生態系統」。

『伍』 目前現有的計算機技術（比如量子計算機），能破解比特幣網路嗎

不可以的，理論上來說量子計算機確實可以破解現在任何加密技術，但量子計算機現在還在實驗室階段，至少還需要10幾年才能達到破解比特幣的程度。比特幣採用的加密技術都是目前的主流技術，連銀行和政府都在用，如果可以破解早就引起恐慌了。

『陸』 10000年的工作量如今只要200秒，區塊鏈技術的一生之敵出現了

谷歌已經宣布開發出了世界上最強大的量子計算機，這意味著以往10000年才能完成的計算工作，量子計算機只需要200秒就可以完成。不僅如此，量子計算還將對區塊鏈的安全性造成沖擊，傳統的區塊加密技術會在未來會被量子計算降維打擊。

量子計算是基於量子理論發展出的計算機技術，量子計算機遵循物理定律，它在同一時間可以採取多種狀態並使用所有可能的計算排列方式執行任務，因此在處理數據的能力上得到了巨大提高。

傳統的計算機理論依據現有的二進制計算方式， 雖然現在測量每個晶體管選擇0或者1的時間已經能夠縮減到十億分之一秒，不過這些器件轉換狀態的速度是有限的。 隨著我們向更小、更快的集成電路發展，人類已經接觸到了這些材料的物理極限，想要從這個方面繼續提高計算機的性能並非不可能，只不過這樣做的成本和收益是不劃算的。

量子計算嘗試從另一個角度來解決這個問題，在量子計算機中， 元素粒子的電荷正負可以表示成0或1，這些粒子被稱為量子比特，它們的性質和行為構成了量子計算的基礎。

量子計算運用了量子物理的兩個最重要的原理，分別是量子疊加原理和量子糾纏原理。疊加原理將量子想像成磁場中的某個粒子，該粒子的自旋狀態既可以和自旋上升態的場相同，也可以和自旋下降態的場相反。根據量子定律，當這些粒子進入疊加態後，它可以在取0或1的基礎上完成疊加，這將使得它代表的數值發生變化。 概括地講，疊加原理讓粒子分為兩部分，一部分取0，一部分取1，比如一部分0和5個1的疊加，就會產生5。 糾纏原理指在某一點上相互作用的粒子可以成對糾纏在一起，當我們得知其中一個粒子的自旋狀態後，就可以從相反方向推斷出它同對的另一個粒子。而且，不管相關粒子之間的距離有多大，它們都可以瞬間相互作用。 糾纏原理就是指同對出現的粒子會產生相互作用，這樣的作用和粒子之間的距離無關。

量子疊加和量子糾纏讓量子計算擁有了強大的計算能力，普通計算機的兩個存儲單位只能存儲四個二進制數字（00、01、10和11）中的任意一個，而量子計算機在擁有兩個存儲單位時，可以同時存儲這四個數值。如果增加更多的量子單位，計算機的容量將會以指數方式擴展。

區塊鏈技術的加密手段依賴於密碼對，即私鑰和公鑰。 公鑰可以從私鑰的對應項計算得來，但是不能反過來推知私鑰。量子計算機能夠通過跨越量級來實現這一點，也就是由公鑰破解私鑰，最終攻破整個加密體系。

不過，現有的量子計算機還不能完全達到這樣的水平，谷歌的量子計算機目前具有53個量子比特，而想要對區塊鏈技術產生影響，至少需要1500個量子比特才能完成。但是至少從理論上講，量子計算是能夠威脅到區塊鏈技術的。

不過，想要擴展量子計算機也並非易事。雖然Shor演算法可以通過公鑰破解私鑰，但是預計在近十年這種情況是不會發生的，因為目前的技術想要從現有的量子計算機基礎上擴展30倍是非常困難的，不過科學的進步將使這一天加速到來。

雖然量子計算將重挫傳統的區塊鏈加密技術，但是它同樣帶來了新的密碼系統，也就是量子密碼學。量子密碼學利用了物理學知識，保證在不知道信息的發送接收雙方的情況下，信息不會泄露。 量子密碼不同於傳統的密碼系統，它更依賴物理學，而不是數學，這是它安全性更高的根本原因。

從本質上將，量子密碼學的基礎是利用單個粒子及其內在的量子特性發展一個牢不可破的密碼系統，在不受干擾的情況下，任何形式的量子態都不能被測量。量子密碼將採用光子傳輸密鑰，一旦密鑰被發送，就可以使用普通密鑰的方法進行編碼和解碼。 每個光子的自旋類型都代表二進制中的1或者0，一串光子將構成一個1和0組成的長字元串，這些字元串將傳遞信息。 根據物理理論，正確構建出量子密碼後，任何人都無法侵入系統。

在常規的加密技術中，破解私鑰需要找到一個數的因子，而這個數將由兩個巨大的質數的乘積構成，如果通過演算法想要計算出這個結果，你需要從宇宙誕生的那一天開始算起。但是，這種常規加密技術存在弱點，一些弱鍵將會產生漏洞，並且摩爾定律不斷提高計算機的處理能力，這些加密方法的破解雖然是困難的，但是並非不可能的。

量子密碼就避免了這些問題，密鑰被加密成一串光子，根據海森堡不確定性原理，在不改變光子的情況下，任何人都無法觀測到這些光子存儲的信息。在這種情況下，入侵者擁有的技術並不重要，因為物理學定律是難以打破的。

雖然量子計算擁有了無與倫比的速度，也可以擊破傳統的加密技術，但是它自身也非常脆弱。在量子計算的過程中，即便是最輕微的電磁波干擾，也會導致量子計算崩潰，所以量子計算機對環境的要求非常苛刻，在運行過程中需要與外界干擾完全隔離。並且，如果計算的過程中出現一個錯誤，會導致整個計算的有效性崩潰，也就是說量子計算的糾錯會導致整個計算體系失效。

量子計算對區塊鏈技術的降維打擊是必然出現的，不過這也正符合 科技 進步的道理。所以，無論是區塊鏈加密技術，還是量子計算技術，都值得人們好好研究。

『柒』 可解決現實的問題的量子計算機，大概有多大

英國和荷蘭的研究人員用兩個不同的量子問題——破解比特幣(一種數字貨幣)的加密和模擬負責生物固氮的分子——來估算可實用的量子計算機的大小規模。

在 AVS Quantum Science 中，研究人員描述了他們創建的一種工具，用於確定解決此類問題需要多大的量子計算機以及需要多長時間。

「這一領域的大部分現有工作都集中在特定的硬體、超導設備上，就像 IBM 和谷歌正在努力開發的那種。」蘇塞克斯大學的馬克·韋伯說。「不同的硬體平台在關鍵硬體規格上會有很大差異，如運算速率和對量子比特(量子比特)的控制質量。」

許多最有前途的量子優勢用例將需要糾錯量子計算機。糾錯可以通過補償量子計算機內部的固有錯誤來運行更長的演算法，但它是以更多物理量子比特為代價的。

從空氣中提取氮來製造用於肥料的氨是非常耗能的，改進這一過程可能會緩解世界糧食危機和氣候危機。相關分子的模擬目前甚至超出了世界上最快的超級計算機的能力，但應該在下一代量子計算機的能力范圍內。

「我們的工具根據關鍵硬體規格自動計算糾錯開銷。為了使量子演算法運行得更快，我們可以通過添加更多物理量子位來並行執行更多操作。我們根據需要引入額外的量子位以達到所需的運行時間，這嚴重依賴於物理硬體級別的操作速率。」

大多數量子計算硬體平台只有彼此相鄰的量子位才能直接交互。在其他平台中，例如一些捕獲離子設計，量子位不在固定位置，而是可以物理移動——這意味著每個量子位可以直接與大量其他量子位相互作用。

「我們 探索 了如何最好地利用這種連接遙遠量子位的能力，目的是用更少的量子位在更短的時間內解決問題。我們必須繼續調整糾錯策略，以利用底層硬體的優勢，這可使我們能夠用比以前假設的更小的量子計算機來解決影響深遠的問題。」

與經典計算機相比，量子計算機在破解許多加密技術方面的能力呈指數級增長。世界上大多數安全通信都使用 RSA 加密。 RSA 加密和比特幣使用的橢圓曲線數字簽名演算法有朝一日會受到量子計算攻擊，但今天，即使是最大的超級計算機也永遠不會構成嚴重威脅。

「當今最先進的量子計算機只有 50-100 個量子比特，我們估計需要 3千萬到3億個物理量子比特，這表明比特幣目前應該被認為是安全的，不會受到量子攻擊，但這種尺寸的設備通常被認為是可以實現的，未來的進步可能會進一步降低要求。比特幣網路可以對量子安全加密技術執行『硬分叉』，但這可能會由於內存需求增加而導致網路擴展問題。」

研究人員強調了量子演算法和糾錯協議的改進速度。

「四年前，我們估計一個捕獲離子設備需要 10 億個物理量子比特才能破解RSA加密，這需要佔地100 x 100 平方米的空間。」韋伯說，「現在，隨著全面改進，這可能會減少到僅 2.5 x 2.5 平方米的面積。」

大規模糾錯量子計算機應該能夠解決經典計算機無法解決的重要問題。

「模擬分子可應用於能源效率、電池、改進的催化劑、新材料和新葯的開發。進一步的量子應用程序包括金融、大數據分析、飛機設計流體和物流優化。」

『捌』 用量子計算機破解比特幣演算法需要多長時間

破解比特幣區塊鏈演算法需要多長時間？蘇塞克斯大學的研究團隊評估認為， 擁有 3.17 億個量子比特的量子計算機可以在 1 個多小時內突破比特幣的加密；擁有 19 億個量子比特的量子計算機可以在 10 分鍾內破解加密。

所有的比特幣交易在添加到區塊鏈之前都需要由加密貨幣礦工網路進行驗證。這個驗證系統告訴系統誰擁有賬本中的什麼金額。在驗證過程中，交易被賦予了一個帶有加密密鑰的指定。如果一個人或團體破解了這個密碼，它將允許訪問和擁有比特幣集群。

不過現階段最強大的量子計算機是擁有 127 個量子比特（qubits）的 IBM 超級計算機，是破解比特幣代碼的最佳設備。Webber 表示在量子計算機取得巨大突破之前，想要破解比特幣的演算法是不太可能的。而想要發明這種高性能的量子計算機，至少還需要 10 年以上時間。

但 Webber 和他的同事仍然對比特幣的未來表示擔憂。他說道：「我們需要改變我們的加密技術，因為在未來，它們並不安全」。

『玖』 強大的量子計算機可以破解加密並解決經典計算機無法解決的問題

強大的量子計算機可以破解加密並解決經典機器無法解決的問題。雖然目前還沒有人成功製造出這樣的設備，但最近我們看到了進步的步伐——那麼，會是新的一年嗎？目前，注意力集中在一個被稱為量子霸權的重要里程碑上：在合理的時間范圍內，量子計算機能夠完成經典計算機無法完成的計算。

谷歌在2019年首次使用具有 54 個量子位（常規計算位的量子等價物）的設備來執行稱為隨機抽樣計算的基本上無用的計算，從而實現了這一目標。2021 年，中國科學技術大學的一個團隊使用 56 個量子比特解決了一個更復雜的采樣問題，後來又用 60 個量子比特將其推得更遠。

但IBM 的Bob Sutor表示，這種跨越式 游戲 是一項尚未產生真正影響的學術成就。只有當量子計算機明顯優於經典計算機並且能夠解決不同問題時，才能實現真正的霸權，而不是目前用作基準的隨機抽樣計算。

他說，IBM 正在努力實現「量子商業優勢」——在這一點上，量子計算機可以比傳統計算機更快地為研究人員或公司解決真正有用的問題。Sutor說，這還沒有到來，也不會在新的一年到來，但可以預期在十年內。

量子軟體公司Classiq的聯合創始人Nir Minerbi則更為樂觀。他認為，新的一年將在一個有用的問題中展示量子霸權。

還記得第一輛電動 汽車 問世的時候嗎？它們對於開車去雜貨店很有用，但也許不適合開車300公里送孩子上大學。就像電動 汽車 一樣，量子計算機會隨著時間的推移變得越來越好，使其在更廣泛的應用中發揮作用。

解決實際問題存在許多障礙。首先是設備需要數千個量子比特才能做到這一點，而且這些量子比特也必須比現有的更穩定和可靠。研究人員很可能需要將它們分組在一起，以作為單個「邏輯量子比特」工作。這有助於提高保真度，但會削弱規模的改進：數千個邏輯量子位可能需要數百萬個物理量子位。

隨著時間的推移，量子計算機會變得更好，在一系列應用中變得有用

研究人員還致力於量子糾錯，以在出現故障時對其進行修復。谷歌在2021年7月宣布，其Sycamore處理器能夠檢測並修復其超導量子比特中的錯誤，但執行此操作所需的額外硬體引入的錯誤多於修復的錯誤。馬里蘭州聯合量子研究所的研究人員後來設法用他們捕獲的離子量子比特通過了這個關鍵的收支平衡閾值。

即便如此，現在還為時過早。如果通用量子計算機在新的一年解決了一個有用的問題，那將是「相當令人震驚的」。在任意時間內保護單個編碼的量子位，更不用說對數千或數百萬個編碼的量子位進行計算了。

量子計算機需要多大才能破解比特幣加密或模擬分子？

預計量子計算機將具有顛覆性，並可能影響許多行業領域。因此，英國和荷蘭的研究人員決定 探索 兩個截然不同的量子問題：破解比特幣（一種數字貨幣）的加密以及模擬負責生物固氮的分子。研究人員描述了他們創建的一種工具，用於確定解決此類問題需要多大的量子計算機以及需要多長時間。

這一領域的大部分現有工作都集中在特定的硬體平台、超導設備上，就像 IBM 和谷歌正在努力開發的那樣。不同的硬體平台在關鍵硬體規格上會有很大差異，例如運算速率和對量子比特（量子比特）的控制質量。許多最有前途的量子優勢用例將需要糾錯量子計算機。糾錯可以通過補償量子計算機內部的固有錯誤來運行更長的演算法，但它是以更多物理量子比特為代價的。從空氣中提取氮來製造用於肥料的氨是非常耗能的，改進這一過程可能會影響世界糧食短缺和氣候危機。相關分子的模擬目前甚至超出了世界上最快的超級計算機的能力，但應該在下一代量子計算機的范圍內。

我們的工具根據關鍵硬體規格自動計算糾錯開銷。為了讓量子演算法運行得更快，我們可以通過添加更多物理量子位來並行執行更多操作。我們根據需要引入額外的量子位以達到所需的運行時間，這嚴重依賴於物理硬體級別的操作速率。大多數量子計算硬體平台都是有限的，因為只有彼此相鄰的量子位才能直接交互。在其他平台中，例如一些捕獲離子的設計，量子位不在固定位置，而是可以物理移動——這意味著每個量子位可以直接與大量其他量子位相互作用。

我們 探索 了如何最好地利用這種連接遙遠量子位的能力，目的是用更少的量子位在更短的時間內解決問題。我們必須繼續調整糾錯策略以利用底層硬體的優勢，這可能使我們能夠使用比以前假設的更小的量子計算機來解決影響深遠的問題。

量子計算機在破解許多加密技術方面比經典計算機更強大。世界上大多數安全通信設備都使用 RSA 加密。RSA 加密和比特幣使用的一種（橢圓曲線數字簽名演算法）有一天會容易受到量子計算攻擊，但今天，即使是最大的超級計算機也永遠不會構成嚴重威脅。研究人員估計，一台量子計算機需要的大小才能在它實際上會構成威脅的一小段時間內破解比特幣網路的加密——在它宣布和集成到區塊鏈之間。交易支付的費用越高，這個窗口就越短，但可能從幾分鍾到幾小時不等。

當今最先進的量子計算機只有50-100個量子比特。「我們估計需要30[百萬] 到3億物理量子比特，這表明比特幣目前應該被認為是安全的，不會受到量子攻擊，但這種尺寸的設備通常被認為是可以實現的，未來的進步可能會進一步降低要求。比特幣網路可以對量子安全加密技術執行『硬分叉』，但這可能會由於內存需求增加而導致網路擴展問題。

研究人員強調了量子演算法和糾錯協議的改進速度。四年前，我們估計捕獲離子設備需要 10 億個物理量子比特才能破解 RSA 加密，這需要一個面積為 100 x 100 平方米的設備。現在，隨著全面改進，這可能會顯著減少到僅僅 2.5 x 2.5 平方米的面積。大規模糾錯量子計算機應該能夠解決經典計算機無法解決的重要問題。模擬分子可應用於能源效率、電池、改進的催化劑、新材料和新葯的開發。進一步的應用程序全面存在——包括金融、大數據分析、飛機設計的流體流動和物流優化。

什麼是量子啟示錄？

想像一個加密的秘密文件突然被破解的世界——這就是所謂的「量子啟示錄」。簡而言之，量子計算機的工作方式與上個世紀開發的計算機完全不同。從理論上講，它們最終可能會比今天的機器快很多很多倍。這意味著面對一個極其復雜和耗時的問題——比如試圖解密數據——其中有數十億的多個排列，如果有的話，一台普通的計算機需要很多年才能破解這些加密。但理論上，未來的量子計算機可以在幾秒鍾內完成這項工作。這樣的計算機可以為人類解決各種問題。英國政府正在牛津郡哈威爾投資國家量子計算中心，希望徹底改變該領域的研究。

一種用於量子計算的新語言

Twist是麻省理工學院開發的一種編程語言，可以描述和驗證哪些數據被糾纏在一起，以防止量子程序中的錯誤。時間結晶、微波爐、鑽石，這三個不同的東西有什麼共同點？量子計算。與使用比特的傳統計算機不同，量子計算機使用量子比特將信息編碼為0或1，或兩者同時編碼。再加上來自量子物理學的各種力量，這些冰箱大小的機器可以處理大量信息——但它們遠非完美無缺。就像我們的普通計算機一樣，我們需要有正確的編程語言才能在量子計算機上正確計算。

對量子計算機進行編程需要了解一種叫做「糾纏」的東西，這是一種用於各種量子比特的計算機，它可以轉化為強大的能量。當兩個量子位糾纏在一起時，一個量子位上的動作可以改變另一個量子位的值，即使它們在物理上是分開的，這引起了愛因斯坦對「遠距離幽靈動作」的描述。但這種效力同樣是弱點的來源。在編程時，丟棄一個量子位而不注意它與另一個量子位的糾纏會破壞另一個量子位中存儲的數據，從而危及程序的正確性。

麻省理工學院計算機科學與人工智慧 (CSAIL) 科學家旨在通過創建自己的量子計算編程語言 Twist 來解開謎團。Twist 可以通過經典程序員可以理解的語言來描述和驗證量子程序中糾纏了哪些數據。該語言使用一個稱為純度的概念，它強制不存在糾纏並產生更直觀的程序，理想情況下錯誤更少。例如，程序員可以使用 Twist 表示程序作為垃圾生成的臨時數據不會與程序的答案糾纏在一起，從而可以安全地丟棄。

雖然新興領域可能會讓人感覺有點浮華和未來感，但腦海中浮現出巨大的金屬機器的圖像，但量子計算機具有在經典無法解決的任務中實現計算突破的潛力，例如密碼學和通信協議、搜索以及計算物理和化學。計算科學的主要挑戰之一是處理問題的復雜性和所需的計算量。經典的數字計算機需要非常大的指數位數才能處理這樣的模擬，而量子計算機可能會使用非常少量的量子位來做到這一點——如果那裡有正確的程序。 「我們的語言 Twist 允許開發人員通過明確說明何時不得與另一個量子位糾纏來編寫更安全的量子程序，」麻省理工學院電氣工程和計算機科學博士生、有關 Twist的新論文的主要作者 Charles Yuan 說. 「因為理解量子程序需要理解糾纏，我們希望 Twist 為開發語言鋪平道路，讓程序員更容易應對量子計算的獨特挑戰。」

解開量子糾纏

想像一個木箱，它的一側伸出一千根電纜。您可以將任何電纜從包裝盒中拉出，也可以將其完全推入。

在你這樣做一段時間後，電纜會形成一個位模式——零和一——取決於它們是在裡面還是在外面。這個盒子代表了經典計算機的內存。該計算機的程序是關於何時以及如何拉電纜的一系列指令。

現在想像第二個外觀相同的盒子。這一次，你拉一根電纜，看到它出現時，其他幾根電纜被拉回了裡面。顯然，在盒子內部，這些電纜不知何故相互纏繞。

第二個框是量子計算機的類比，理解量子程序的含義需要理解其數據中存在的糾纏。但是檢測糾纏並不簡單。你看不到木箱，所以你能做的最好的就是嘗試拉動電纜並仔細推理哪些是糾纏的。同樣，今天的量子程序員不得不用手推理糾纏。這就是 Twist 的設計有助於按摩其中一些交錯的部分。

科學家們設計的Twist具有足夠的表現力，可以為著名的量子演算法編寫程序並識別其實現中的錯誤。為了評估Twist的設計，他們對程序進行了修改，以引入某種對於人類程序員來說相對不易察覺的錯誤，並表明Twist可以自動識別錯誤並拒絕程序。

他們還測量了程序在運行時方面的實際執行情況，與現有的量子編程技術相比，它的開銷不到4%。

對於那些擔心量子在破解加密系統方面的「骯臟」名聲的人來說，Yuan 表示，目前還不清楚量子計算機在實踐中能夠在多大程度上實現其性能承諾。「在後量子密碼學方面正在進行大量研究，這些研究之所以存在，是因為即使是量子計算也不是萬能的。到目前為止，有一組非常具體的應用程序，人們在這些應用程序中開發了量子計算機可以超越經典計算機的演算法和技術。」

重要的下一步是使用Twist創建更高級別的量子編程語言。今天的大多數量子編程語言仍然類似於匯編語言，將低級操作串在一起，沒有注意數據類型和函數等東西，以及經典軟體工程中的典型內容。

量子計算機容易出錯且難以編程。通過引入和推理程序代碼的「純度」，Twist 通過保證一段純代碼中的量子位不會被不在該代碼中的位更改，朝著簡化量子編程邁出了一大步。 這項工作得到了麻省理工學院-IBM 沃森人工智慧實驗室、國家科學基金會和海軍研究辦公室的部分支持。

【注釋. 量子計算機】

量子計算機是一種直接利用量子力學現象（如疊加和糾纏）對數據進行運算的計算設備。量子計算背後的基本原理是量子屬性可以用來表示數據並對這些數據執行操作。

盡管量子計算仍處於起步階段，但已經進行了一些實驗，在這些實驗中，量子計算操作是在非常少量的量子比特（量子二進制數字）上執行的。實踐和理論研究都在繼續進行，許多國家政府和軍事資助機構支持量子計算研究，以開發用於民用和國家安全目的的量子計算機，例如密碼分析。

如果可以建造大規模的量子計算機，它們將能夠比我們目前的任何經典計算機（例如 Shor 演算法）更快地解決某些問題。量子計算機不同於DNA計算機和基於晶體管的傳統計算機等其他計算機。一些計算架構（例如光學計算機）可能會使用經典的電磁波疊加。如果沒有一些特定的量子力學資源，例如糾纏，推測不可能超過經典計算機的指數優勢。

『拾』 為什麼說比特幣是不能破解的，用量子計算機也不行

因為加密遠比解密代價小
假設以數字+大小寫字母（共62種字元）設置密碼，某超級計算機1秒能暴力嘗試10億個密碼，那麼：
破解5位密碼需要1秒（62^5=9.2億），
破解6位密碼需要62秒，
破解7位需要1小時，
破解8位需要2.5天，
破解9位需要半年，
破解12位需要10萬年（超過人類文明史），
破解15位需要243億年（超過宇宙年齡）。
15位密碼不過比5位密碼多輸入幾位，耗時幾秒，卻導致解密代價高到了幾乎不可能的程度。
量子計算機即使帶來一億倍的破解速度提升，那也不過是抵消了比特幣256位私鑰長度中的27位而已（2^27=1.3億）。就算外星人出現，連續發生了數次一億倍破解速度提升（每次抵消27位私鑰長度），比特幣也只要簡單地把私鑰長度升級到512位即可。