量子问题：量子计算到底是什么鬼？

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量子专题：量子计算到底是什么？

什么是量子计算？量子计算机和普通计算机有什么不同？这和比特币有什么关系？

新比特币用户不可避免地会遇到这些问题，并不得不面对这些问题所引出的担忧：如果开发出了可行的量子计算机，比特币将面临一种足以威胁其生存的存在性威胁。

拥有比特币的能力，建立在一个根本假设之上：如果没有直接泄露比特币的副本，除持有私钥的人之外，任何人都无法使用该密钥保护的币进行签名和交易。量子计算对这一假设提出了质疑。

量子计算机并不是“更快的计算机”。它们的运作方式与经典计算机有着根本性的不同，因此在某些特定类型的计算中，效率远高于经典计算机。显然，我不可能在短短四页内详细解释量子计算机的工作原理，但我会为你讲解它们与经典计算机根本不同之处的核心直觉。

那么，我们来看看这两类计算机如何处理大型加密密钥之类的东西。

经典计算机

经典计算机（下文简称“计算机”）中存储的一切，都以一连串的 1 和 0 的形式保存。每个 比特（1 或 0）就是精确的 1 或 0；不存在任何歧义。数据存储时，就是以 1 和 0 的形式保存。数据被处理或修改时，则是逐位、一步一步地对每个 1 或 0 进行操作。

计算机就是这样工作的。它按照线性顺序，一步接一步地修改所存储的、离散且毫无歧义的数据。它不能跳过步骤，也不能走捷径（这里说的是所执行的步骤，而不是数学上更高效的处理方式）；它必须逐一执行计算中的每个步骤。

使用计算机生成私钥时，计算机会获取一个随机值（例如你输入的骰子结果、一般用户输入、设备硬件产生的随机性等），并将其以 1 和 0 的形式存入内存。接下来，它必须将这个值乘以椭圆曲线的生成元点，以得到公钥。这个过程通过算法实现；归根结底，算法就是一系列指令，告诉计算机要取哪些位、如何修改这些位、在物理层面要让这些位经过哪些电路，从而完成操作，最后再将逐位修改后的新值放回内存。

要得到一个真正有效的地址，还需要经过其他步骤，但就本文而言，无需详细介绍这些步骤（不过它们和上面那一步一样，都只是一步一步修改内存中 1 和 0 的指令）。

那么，如果有人想用计算机猜出别人的私钥，会怎么样呢？

有 2256 个可能的私钥。也就是说，有 115,792,089,237,316,195,423,570,985,008,687,907,853,269,984,665,640,564,039,457,584,007,913,129,639,936 种不同的可能密钥。

计算机必须尝试 每一个可能的私钥，一个接一个地尝试（或者一次并行尝试计算机所能处理的数量），严格按照上面的说明逐步生成密钥。并行尝试的数量越多，所需的计算能力就越强，而且没有任何捷径可以绕过这项成本。

你想使用的计算能力越少，所需时间就越长；你想缩短所需时间，就需要更多的计算能力。

这是一项计算机无法完成的任务。一方面，所需的计算成本高到地球上的所有计算机都无力承担；另一方面，所需的时间长到在你检查完所有密钥之前，宇宙中的每一颗恒星都会熄灭。

要真正实现你的目标，你需要找到一种不同于逐个线性检查或并行检查的方法。这就是量子计算的用武之地。

量子计算机

量子计算机并不以离散状态运作。每个状态都精确地是 1 或 0。量子计算机中最基本的信息单位是量子比特（比特的量子版本）。与比特不同，量子比特处于叠加态在这种状态下，它同时既是 1 又是 0。只有当它被观察时，才会稳定为其中一种离散状态. 

这是让量子计算机能够以不同方式进行计算的关键构件之一。另一个是纠缠量子比特并非只是孤立地存储起来；代表它们的物理原子在被观察时会坍缩为离散状态，而且彼此纠缠在一起。这意味着，当纠缠的原子被观察并坍缩为单一状态时，这些纠缠的原子会坍缩到相同的状态，无论它们相距多远。 

现在事情开始变得有些奇怪了，我得稍微说得模糊一点；不过你仍然应该能直观地理解，为什么量子计算机在本质上不同于经典计算机。经典计算机上的算法是一组指令，用来获取一组特定的比特，并按照算法的指令逐步修改它们，直到运算结束并输出一组新的比特。因此，算法会逐步将一种离散状态转变为另一种离散状态。 

量子比特在被观测并坍缩为某个状态之前，不会存储离散状态，而是存储概率。当一定数量的量子比特彼此纠缠时（比如这个假想案例中的 2256 个），它们坍缩到的每一种可能状态都有一个特定的概率。 

量子算法并不是逐步操作离散状态的指令，而是一组关于如何对这些纠缠的量子比特进行操作的指令，以此改变不同结果出现的概率。相长干涉用于提高正确结果出现的概率，而相消干涉 为了降低结果出错的概率（请注意，这并不是让物理量子计算机难以准确运行的噪声或干扰，那是另一个概念）。 

因此，经典计算机必须逐一检查每个私钥，才能找到与特定公钥匹配的那个；而量子计算机只需使用正确的算法运行几次，就能得出正确答案。它 并不会 通过“同时检查所有可能性”来做到这一点。它只是改变叠加态坍缩为各种结果的概率。 

这就是为什么量子计算机能够打破椭圆曲线密码学赖以成立的假设，而经典计算机做不到（这也解释了为什么量子计算机只适用于某些答案候选空间极其庞大、需要从中进行检查的计算类型）。 

别慌

经典计算与量子计算之间这种根本差异意味着，没错，如果真的造出了可行且运行正常的量子计算机，那么保障每位比特币持有者个人比特币安全的基础假设就会被打破。所有这些资金都将不再安全。 

如果这种设备真的被制造出来并且能够运行，那确实会带来严重风险，但我们并非毫无准备。我们了解这个问题，也了解自身面临的风险敞口，而且针对问题的诸多不同方面，已经有不少可能的解决方案逐渐成形。

深呼吸，放轻松。在本期接下来的内容中，我们会带你全面了解这个问题。

本文刊载于《比特币杂志》最新一期印刷版《量子专题》。我们在这里提前分享本文，让你先睹为快，了解整期内容探讨的观点。

本文《量子专题：量子计算到底是什么鬼？》最初发表于《比特币杂志》，作者是 Shinobi。

来源：BitcoinMagazine