量子計算對于比特幣的密碼學是否會造成影響

比特幣密碼學不受傳統計算機的影響

比特幣密碼學目前是堅不可摧的。例如，一個多年來一直致力于通過將大量計算資源和編程知識整合到大型比特幣對撞機（Large Bitcoin Collider）來破解比特幣私鑰的團隊，迄今尚未仍然沒有成功。據統計分析顯示，比特幣對撞機需要3.44 * 10^24年的時間才能被破解第一個密鑰，比特幣對撞機比宇宙的年齡要長幾個數量級。

此外，由于量子隧穿效應，經典計算的演化正接近其物理極限。根據摩爾定律（Moore’s Law），計算機處理能力長期呈指數級增長。摩爾定律指出，密集集成電路（即芯片）上的晶體管數量每兩年翻一番。摩爾定律推測到的目前為止基本上是正確的，但現在晶體管變得如此之小，量子隧穿正成為一個嚴重的問題。從本質上講，當晶體管變得足夠小時，電子就能通過晶體管中的物理屏障傳送，從而破壞整個計算機的完整性?？茖W家們已經想出了一些聰明的方法來將晶體管的尺寸減小到5納米和3納米，但是研究和開發更小的晶體管需要的時間越來越長，而減小晶體管尺寸帶來的效率收益正在減少。因此，摩爾定律已經被打破，計算能力的指數增長正在放緩。

量子計算機總有一天會比經典計算機更強大

經典計算機正接近其進化物理極限的事實表明，比特幣密碼學永遠是牢不可破的，但有一個重要的警告。

量子計算機有超越傳統計算機的潛力，預計這種情況隨時都有可能發生。如果發生這種情況，它將被稱為量子優勢（quantum advantage），并且這可能最終導致比特幣密碼學遭到破壞，本文的其余部分將對此進行探討。

在解釋量子計算機最終如何強大到足以破壞比特幣密碼學體制之前，理解經典計算機和量子計算機之間的區別是很重要的。經典計算機使用狀態為0和1的位。從本質上講，經典計算機的基礎是二進制語言，它是由0和1妥協而成的，而這在物理上是由電路所允許的兩個電壓或電流電平來表示的。兩種不同的光強、磁化或極化方向也可以組成位。

另一方面，量子計算機使用量子位元，量子位元在物理上由電子的自旋或光子的偏振來表示。一個經典的計算機位只能有狀態0和1，而一個量子位元有狀態0和1，以及這兩種狀態的任何量子疊加。量子疊加是指量子態可以相互疊加而成為另一種有效的量子態。

從數學上講，一個量子位元可以有2^N種狀態，其中N是計算機中量子位元的數目。因此，量子計算機中的狀態數隨著計算機中量子位的數量呈指數增長。

此外，量子糾纏導致量子粒子彼此具有相同的特性，要么是由于一起產生的，要么是在某個點上相互作用，要么是由于距離很近。量子糾纏允許一個量子位元同時作用于多個狀態，這就增加了量子計算機的功率。量子糾纏對量子密碼也很有用。

量子計算機面臨著重大挑戰

盡管量子計算機的未來似乎很有希望，因為每增加一個連續的量子位元，處理能力就會呈指數增長，但說起來容易做起來難。第一臺“商用”量子計算機是IBM Q系統，它有20個量子位元。這本質上是一個原型，作為開發量子編程語言的沙箱很有用，但它并不比經典的超級計算機更強大。同樣，谷歌開發了一種名為Bristlecone的量子計算機，它有72個量子位，但也比經典的超級計算機弱。

聲稱擁有最多量子位元的量子計算機是D-Wave，它有2000個量子位元。然而，D-Wave是量子退火計算機，無法攻擊比特幣的加密技術。

D-Wave的規格說明揭示了量子計算機所面臨的挑戰。D-Wave被過冷到0.015開爾文，比星際空間冷180倍，壓力比地球大氣層低100億倍，并且有被屏蔽的風險，畢竟電腦周圍的磁場比地球磁場小5萬倍。

從本質上講，即使是最輕微的電磁或熱激振動，甚至是與空氣粒子的碰撞，都足以破壞現代量子計算機的計算。量子計算機在真空中基本需要絕對零度的溫度，以及沒有電磁波的情況下，才能正常工作?？紤]到量子計算機本身產生的熱和磁，這是相當困難的?，F在，量子計算機很容易出錯，還不能用于商業目的。

谷歌樂觀地認為Bristlecone很快就能實現量子霸權，這意味著他們的量子計算機將在一個特定的著名計算機科學問題上勝過最強大的經典超級計算機。之后的下一步將是實現量子優勢，這意味著量子計算機將在有用的任務上勝過經典計算機。即使有了量子優勢，量子計算機要想在每項任務上都超越經典計算機還需要時間。

量子計算機有一天可以破解比特幣密碼學，但比特幣可以利用量子密碼來克服這一點

很明顯，量子計算機在這一點上并沒有與經典計算機競爭，盡管在未來量子技術可能會得到完善，量子計算機將變得比經典計算機強大得多。

如果量子計算機技術得到完善，估計需要1500個量子位元才有足夠的處理能力破解比特幣私鑰。不過，比特幣已經遇到了一些量子阻力，因為大多數比特幣用戶每筆交易都會更換地址。從量子計算機首次破解比特幣私鑰，到量子計算機在生成比特幣地址、發送到該地址的交易和進入區塊的交易之間的短時間內足夠快地破解密鑰，可能需要幾十年的時間。

盡管如此，量子計算機也有可能變得足夠強大來危及比特幣目前的加密技術，而且據估計，比特幣的加密技術可能在2030年至2040年左右變得不安全。

比特幣在這一點上可以簡單地軟分叉到量子密碼，實際上量子密碼是密碼的最終進化。這是因為如果有人試圖攔截量子密碼，量子密碼就會被顯著地改變或銷毀，因此即使是功能無限強大的計算機也無法破解量子密碼。

因此，雖然從長遠來看量子計算似乎對比特幣構成了威脅，但量子密碼的同步發展可能會導致比特幣變得比以往任何時候都更加安全。