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”，在量子盘算范畴取得了两项重大突破：

• 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淘汰盘算错误，从而实现“阈值以下”的量子纠错能力。
  
• 超越经典盘算能力：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盘算必要当前最快的超级盘算机泯灭                                         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！”事实真的是如许吗？今天我们来客观地聊一聊以 Willow 为代表的量子盘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，必须认可的是 Willow 朝着量子盘算现实应用迈进了重要一步。Willow 的技术突破可以总结为：

• 量子纠错能力：
  
  
  
  • 通过逐步扩展物理量子比特阵列（从                                                   3                                  ×                                  3                                          3 \times 3                           3×3 到                                                   5                                  ×                                  5                                          5 \times 5                           5×5 再到                                                   7                                  ×                                  7                                          7 \times 7                           7×7），Willow 将错误率淘汰了一半，达到了指数级下降（“阈值以下”），这是量子纠错范畴自 1995 年以来的一大困难。
    
  • 实现了超导量子系统中的实时纠错，并通过“物理量子比特寿命延长”证实纠错显著提高了整个系统。
    
  • Willow 是迄今为止最令人佩服的可扩展逻辑量子比特原型。
    
  
  
• 随机电路采样（RCS）基准测试：
  
  
  
  • Willow 完成的盘算速率远超经典盘算机，特殊是一项盘算用超算需                                                   1                                               0                                     25                                                      \bold{10^{25}}                           1025 年，该结果验证了量子芯片无法被经典盘算机复制的性能。
    
  • 此性能表明量子处理器的性能以“双指数级”超越经典盘算机。
    
  
  
• 系统级筹划：
  
  
  
  • Willow 由 Google 专门建造的尖端制作设施研发而成，采用全面的系统工程筹划，确保各组件（如量子门、比特复位、读出）高度集成以提升性能。
    
  • 夸大“质量而非数量”：Willow 拥有 105 个高质量量子比特，并在量子纠错和 RCS 等系统基准测试中表现杰出。
    
  • 关键指标改进：量子比特的 T1 时间（保持激发状态的时间）靠近 100 微秒，比上一代芯片提高约 5 倍。
    
  
  

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量子盘算对密码学的威胁

要答复这个题目，我们必要首先对量子盘算有个大概了解。
量子盘算的现状

量子盘算不是新鲜事物。在 Willow 发布之前，量子盘算范畴已经有着丰富的希望结果：

• 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 量子处理器在该范畴取得了重要希望，但必要联合背景明确其能力。
早期的量子盘算机重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——这是量子盘算的核心挑战之一。
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，它能够以指数级淘汰错误。这被称为量子错误纠正中的“低于阈值”，这是研究人员近 30 年来未能实现的目的。
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，从而证实了这一点。
类似地，我国最近公布的拥有 504 个物理量子比特的 Tianyan-504 量子盘算机固然令人印象深刻，但也面对雷同的基本挑战。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 也认可，截至目前，没有量子盘算机在商业应用中超越超级盘算机。尽管 RCS 对经典盘算机而言极具挑战性，但尚未在现实商业中得到应用。

量子盘算如何影响加密系统

当代密码学广泛应用于区块链技术和银行系统，依赖于经典（平凡）盘算机难以解决的复杂数学题目。
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重要加密范例。
一旦破解这些加密技术，攻击者可能从公钥中推导出私钥，窃取加密生意业务所和个人钱包中的巨额资金。
然而，专家划一以为，量子盘算机必要约莫 4000 到 5000 个稳固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盘算的逻辑量子比特，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

在量子盘算相关的报道中，经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盘算机的基础单元，但它们本质上不稳固且轻易堕落。逻辑量子比特是通不对误纠正组合许多物理量子比特形成的，可靠的量子盘算必要它们。
目前的估计表明，构建一个逻辑量子比特可能必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盘算机，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。
现有加密体系照旧安全的

尽管量子盘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：

• 当前的量子盘算能力（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。
  
• 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盘算机和量子盘算机的算法。
  
• 各构造正在积极为量子未来做预备，比方，NIST 等构造正在致力于尺度化这些新的加密算法，以确保未来的安全。
  
• 当前的突破，固然重要，但更多聚焦于错误纠正和特定盘算任务，而不是加密攻击。比方，Google 的 Willow 处理器在随机电路采样（RCS）中表现了出色的表现——完成经典超级盘算机必要大量时间的盘算。然而，Google 认可这些基准测试固然对证实量子优势至关重要，但尚未在现实世界中具有实用应用。
  

量子盘算的未来

我们应该用发展的眼光看待题目。可以预见到，整个量子盘算范畴会受 Willow 的鼓舞与刺激，更加快速的发展。Google 也给出了量子盘算发展的规划。

• 目的：通过运行超越经典盘算能力且具有现实应用代价的算法，实现“有效的量子盘算”。
  
  
  
  • 目前实行分为两类：一是性能超越经典盘算但无现实应用的基准测试；二是可被经典盘算机完成的科学模仿。未来目的是在两种能力上实现联合。
    
  
  
• 开放合作和教育：
  
  
  
  • 开放源码软件和教育资源（比方 Coursera 课程）以推动社区参与，吸引更多研究人员和开发者。
    
  • 重点范畴包括量子纠错和开发解决现实题目的量子算法。
    
  
  
• 量子盘算的潜伏应用：
  
  
  
  • 提供对先进 AI 技术的支持，比方加速模子训练和优化。
    
  • 助力发现新药、筹划高效电池、推动核聚变和新能源开发等。
    
  
  
• 未来发展：
  Google 的目的是通过开发能够进行复杂错误校正盘算的大规模盘算机，来充实释放量子盘算的潜力。为了实现这一目的，Google 将遵循一个包罗六个里程碑的门路图，以推动高质量的量子盘算硬件和软件的发展，实现有意义的应用。
  
  
  
  

结论

量子盘算在错误纠正和量子比特质量方面的最新希望是该范畴的重要里程碑。然而，当前能力与破坏当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盘算机的报道不应立即引起对数字基础设施安全性的恐慌。
当前量子盘算发展的重点，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。
固然我们应该继续为量子未来做预备，但我们当前的加密系统在今天和不久的将来仍然对量子盘算机安全无虞。

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