Willow 量子芯片横空出世：我的银行账户和加密货币还安全吗？

Willow 量子芯片横空出世：我的银行账户和加密货币还安全吗？

12 月 9 日，Google Quantum AI 推出了新一代量子芯片 “Willow”，在量子计算领域取得了两项重大突破：

1. 突破量子纠错挑战：通过增加量子比特数量，Willow 能够以指数级的方式减少计算错误，从而实现“阈值以下”的量子纠错能力。
2. 超越经典计算能力：完成了一项随机电路采样（RCS）基准测试，在不到五分钟内完成的计算需要当前最快的超级计算机花费

   1

   0

   25

   bold{10^{25}}

   1025 年。

网上很多知识博主惊呼：“我们的加密系统和区块链很快就要攻破了，加密货币不久将崩盘！”事实真的是这样吗？今天我们来客观地聊一聊以 Willow 为代表的量子计算对现有的加密技术有哪些影响和挑战。

Willow 的核心技术突破

首先，必须承认的是 Willow 朝着量子计算实际应用迈进了重要一步。Willow 的技术突破可以总结为：

量子计算对密码学的威胁

要回答这个问题，我们需要首先对量子计算有个大概了解。

量子计算的现状

量子计算不是新鲜事物。在 Willow 发布之前，量子计算领域已经有着丰富的进展成果：

• IBM：Osprey 处理器拥有约 400 个物理量子比特
• Google：Sycamore 处理器拥有约 100 个物理量子比特
• IonQ：使用受困离子技术的算法量子比特约为 32 个

Google 的 Willow 量子处理器在该领域取得了重要进展，但需要结合背景理解其能力。

早期的量子计算机主要追求增加物理量子比特的数量，而 Willow 的突破在于其在错误纠正方面的创新——这是量子计算的核心挑战之一。

Willow 拥有 105 个物理量子比特，实现了一个重大突破：随着系统中加入更多量子比特，它能够以指数级减少错误。这被称为量子错误纠正中的“低于阈值”，这是研究人员近 30 年来未能实现的目标。

研究团队通过测试越来越大的编码量子比特网格（

3

×

3

3 times 3

3×3、

5

×

5

5 times 5

5×5 和

7

×

7

7 times 7

7×7），每扩大一步，错误率就减半，从而证明了这一点。

类似地，我国最近宣布的拥有 504 个物理量子比特的 Tianyan-504 量子计算机虽然令人印象深刻，但也面临相同的基本挑战。这些数字代表的是物理量子比特，而不是破解密码所需的逻辑量子比特。

连 Google 也承认，截至目前，没有量子计算机在商业应用中超越超级计算机。尽管 RCS 对经典计算机而言极具挑战性，但尚未在实际商业中得到应用。

量子计算如何影响加密系统

现代密码学广泛应用于区块链技术和银行系统，依赖于经典（普通）计算机难以解决的复杂数学问题。

公钥加密（如区块链中使用的 ECDSA）和哈希函数（如 SHA-256）是可能受到量子攻击的两种主要加密类型。

一旦破解这些加密技术，攻击者可能从公钥中推导出私钥，窃取加密交易所和个人钱包中的巨额资金。

然而，专家一致认为，量子计算机需要大约 4000 到 5000 个稳定的逻辑量子比特才能破解现有的加密系统。

这个数字指的是可以进行可靠计算的逻辑量子比特，而非物理量子比特。这正是新闻头条与现实之间的差距所在。

物理量子比特与逻辑量子比特的不同

在量子计算相关的报道中，常常忽视的是物理量子比特和逻辑量子比特的区别。

物理量子比特是量子计算机的基础单元，但它们本质上不稳定且容易出错。逻辑量子比特是通过错误纠正组合许多物理量子比特形成的，可靠的量子计算需要它们。

目前的估计表明，构建一个逻辑量子比特可能需要数千个物理量子比特。这意味着即便是拥有 500 个物理量子比特的量子计算机，也可能只能生成少量逻辑量子比特，远不足以破解现有加密系统。

现有加密体系还是安全的

尽管量子计算对现有加密系统构成理论威胁，但短期内不会威胁到现有加密体系：

1. 当前的量子计算能力（数百个物理量子比特）与破解现有加密系统所需的能力（数千个逻辑量子比特）之间的差距仍然很大。
2. 为了应对量子威胁，抗量子攻击的密码学开发正在积极推进，旨在创建能够抵御传统计算机和量子计算机的算法。
3. 各组织正在积极为量子未来做准备，例如，NIST 等组织正在致力于标准化这些新的加密算法，以确保未来的安全。
4. 当前的突破，虽然重要，但更多聚焦于错误纠正和特定计算任务，而不是加密攻击。例如，Google 的 Willow 处理器在随机电路采样（RCS）中显示了出色的表现——完成经典超级计算机需要大量时间的计算。然而，Google 承认这些基准测试虽然对证明量子优势至关重要，但尚未在现实世界中具有实用应用。

量子计算的未来

我们应该用发展的眼光看待问题。可以预见到，整个量子计算领域会受 Willow 的鼓舞与刺激，更加快速的发展。Google 也给出了量子计算发展的规划。

• 目标：通过运行超越经典计算能力且具有实际应用价值的算法，实现“有用的量子计算”。

  • 目前实验分为两类：一是性能超越经典计算但无实际应用的基准测试；二是可被经典计算机完成的科学模拟。未来目标是在两种能力上实现结合。

• 开放合作和教育：

  • 开放源码软件和教育资源（例如 Coursera 课程）以推动社区参与，吸引更多研究人员和开发者。
  • 重点领域包括量子纠错和开发解决实际问题的量子算法。

• 量子计算的潜在应用：

  • 提供对先进 AI 技术的支持，例如加速模型训练和优化。
  • 助力发现新药、设计高效电池、推动核聚变和新能源开发等。

• 未来发展：

  Google 的目标是通过开发能够进行复杂错误校正计算的大规模计算机，来充分释放量子计算的潜力。为了实现这一目标，Google 将遵循一个包含六个里程碑的路线图，以推动高质量的量子计算硬件和软件的发展，实现有意义的应用。

  

结论

量子计算在错误纠正和量子比特质量方面的最新进展是该领域的重要里程碑。然而，当前能力与破坏现代密码学所需的能力之间的差距仍然很大。

这并不意味着我们应该掉以轻心。开发抗量子攻击的密码学仍应是优先事项。

但这也意味着关于新量子计算机的报道不应立即引起对数字基础设施安全性的恐慌。

当前量子计算发展的重点，如 Google 的 Willow 处理器所示，是在特定应用中实现实用的量子优势，而不是加密攻击。

虽然我们应该继续为量子未来做准备，但我们当前的加密系统在今天和不久的将来仍然对量子计算机安全无虞。