量子特刊：量子计算到底是什么？

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来自《量子特刊》：对量子计算机的高层次审视，它究竟是什么，以及它与传统计算有何不同。

什么是量子计算？量子计算机与普通计算机有何不同？这与比特币有什么关系？

新入门的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发的关于比特币暴露于一个非常现实的生存威胁——如果一台可行的量子计算机被开发出来。

拥有比特币的能力建立在一个基本假设之上：只要不直接泄露私钥副本，除了持有私钥的人之外，没有人能够签名花费由该密钥保护的币。量子计算对这一假设提出了质疑。

量子计算机不仅仅是“计算机，只是更快”。它们的工作方式与传统计算机有着根本性的不同，因此在非常特定类型的计算上，它们比传统计算机高效得多。显然，我不打算在四页篇幅内详细解释量子计算机的工作原理，但我会给你一个核心直觉，让你理解它们与传统计算机的根本区别。

那么，让我们来看看这两种计算机如何处理诸如大型加密密钥之类的东西。

传统计算机（以下简称为计算机）中存储的一切都是以一系列 1 和 0 的形式存储的。每个比特（1 或 0）都精确地是 1 或 0；没有任何模糊性。当一段数据被存储时，它就是 1 和 0。当一段数据被操作或修改时，它是逐比特、逐步地对每个 1 或 0 进行的。

这就是计算机的工作方式。它线性地、一步一步地修改它所存储的离散且无歧义的数据片段。它不能跳过前面的步骤，也不能走捷径（就它所采取的步骤而言，而不是指数学上更高效的方法），它必须一步一步地完成它所执行的任何计算的步骤。

当你使用计算机生成一个私钥时，它会获取一个随机值（你输入的骰子结果、一般用户输入、设备硬件的随机性等），并将其以 1 和 0 的形式存储在内存中。然后，它必须将这个值乘以椭圆曲线的生成点来得到公钥。这是通过一种算法完成的，该算法归结到最基本的层面，实际上就是指令：取哪些比特、如何修改它们、在物理层面上将它们“推”过哪些电路来实现这一点，最后将逐比特修改后的新值放回内存中。

要得到一个实际有效的地址还有其他步骤，但就本文而言，这些步骤没有必要深入探讨（但它们与上述步骤一样，只是关于如何修改内存中 1 和 0 的逐步指令）。

那么，如果有人想用计算机来猜测别人的私钥呢？

共有 2^256 个可能的私钥。也就是 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 个不同的可能密钥。

计算机必须逐一尝试每一个可能的私钥（或者尽可能多地并行尝试），按照上面生成密钥的确切指令一步一步地进行。你尝试并行检查的密钥越多，需要的计算能力就越大，而且没有任何办法绕过这一成本找到捷径。

你想使用的计算能力越少，所需的时间就越长；你想让它花费的时间越短，需要的计算能力就越多。

用计算机完成这项任务是不可能的。一方面，你面临的计算成本是地球上所有计算机加起来都不足以支付的；另一方面，你面临的时间成本高到在你检查完所有密钥之前，宇宙中的每一颗恒星都会消亡。

要真正实现你的目标，你需要一种除了线性或并行逐一检查之外的其他选择。这就是量子计算登场的地方。

量子计算机并不使用离散状态工作。所有东西都精确地是 1 或 0。量子计算机中最基本的信息单位是量子比特（qubit，比特的量子版本）。与比特不同，量子比特处于叠加态，同时既是 1 又是 0。只有在被观测时，它才会坍缩为其中一个离散状态。 

这是让量子计算机能够以不同方式计算的关键构建块之一。另一个是量子纠缠。量子比特并不是孤立存储的，代表它们的物理原子在被观测时会坍缩为离散状态，而这些原子彼此纠缠在一起。这意味着当纠缠的原子被观测并坍缩为单一状态时，无论它们相距多远，纠缠的原子都会坍缩为相同的状态。 

现在事情开始变得奇怪了，我不得不稍微含糊其辞；但你仍然应该能直观地理解为什么量子计算机与经典计算机有根本性的不同。经典计算机上的算法是一组指令，用于获取一组特定的比特，并根据算法的指令逐步修改它们，直到完成并输出一组新的比特。因此，算法逐步将一个离散状态转换为另一个离散状态。 

量子比特在被观测并坍缩为某一状态之前，并不存储离散状态。它们存储的是概率。当你有一组任意大小的纠缠量子比特时（比如在这个假设情况中是 2 256 ），它可能坍缩到的每一个给定状态都有一定的概率坍缩到该给定状态。 

量子算法并不是对离散状态进行逐步操作的指令，而是一组关于如何操作这些纠缠量子比特的指令，以改变不同结果的概率。相长干涉用于增加正确结果的概率，相消干涉用于降低错误结果的概率（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，经典计算机必须逐个检查每个私钥，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，就能得到正确答案。它并不是通过“同时检查所有可能性”来做到这一点的。它只是修改了叠加态将会坍缩成的结果的概率。 

这就是为什么量子计算机能够打破椭圆曲线密码学所依赖的假设，而经典计算机不能（这也是为什么量子计算机只对某些类型的计算有用，即那些具有巨大可能答案空间需要检查的计算）。 

经典计算与量子计算之间的这种根本差异意味着，是的，如果真的制造出一台可行且能正常工作的量子计算机，那么保护所有比特币用户个人比特币的底层假设就会被打破。所有这些资金都将不再安全。 

是的，如果这样的设备真的被制造出来并且能够工作，这确实是一个严重的风险，但我们并非完全没有准备。我们理解这个问题，我们理解风险敞口，而且针对问题许多不同方面的大量可能解决方案正在汇聚成形。 

深呼吸，放松。在本期的其余部分，我们将带你完整了解整个问题。 

本文收录于最新一期《比特币杂志》印刷版《量子特刊》。我们在此分享，作为对整个特刊所探讨思想的提前预览。

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