面对史上最强量子计算芯片,我的比特币还保得住么?

我知道你急,但是你别急
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本周的当头一棒,有多少加密货币的拥趸,从“技术乐观者”变成了“科技保守者”。

12 月 9 日,谷歌公布了旗下最新、最强大的量子计算芯片 Willow,它拥有史上最多的 105 个量子比特。更重要的是,在量子比特增加之后,Willow 在错误率的控制取得了突破性进展

图片来源:Google

Willow 发布后,谷歌股价立刻飙升,两天内涨幅达 10%。比特币价格则应声下跌,最低时下挫了 6%。

问题随之而来,赞叹科技美好,不耽误担心自己的钱包:我那比特币密钥,还……还灵么?

2019 年,谷歌曾利用一台 54 位的量子计算机 Sycamore,证明了“量子优越性”,即量子计算机相比经典计算机,存在指数级的算力碾压。当时谷歌用 200 秒时间,完成了经典计算机需要一万年才能完成的计算任务

图片来源:Google

而这一次,Willow 在算力测试中,进一步将理论算力差距拉大到了天文数字的级别。此次 Willow 用 5 分钟完成的计算任务,如果用普通的超级计算机,需要 10^25 年,比宇宙的寿命还长

谷歌量子 AI 部门的创始人 Hartmut Neven 在博客中表示:Willow 表现出的算力碾压太夸张,夸张到像是借用了平行宇宙里的算力

图片来源:Google

量子计算机理论上蕴含的超强算力,一旦被用于通用计算机的应用场景,巨大的想象空间随之而来:一切的加密算法,一切对算力敏感的场景如加密货币、AI,都将改变成我们难以预期的模样

量子计算,靓在哪?

计算机的基本构成单位是“比特”。

经典计算机的比特是宏观的。比如电路的通、断,分别表示了 1 和 0 两种状态,包括光信号,以及磁盘的扇区,储存单元,都是一样。

一枚量子芯片丨Google

它们在宏观中的表现是高度确定的,即便是最先进的集成电路上,栅极尺寸只有十几纳米的晶体管,接通时,内部也是数以亿计的电子流动,所以可以抵抗外界干扰。

量子计算器的“比特”,则由微观层面的量子构成。单个量子的状态是高度不确定的,即处于“叠加态”,仅仅是测量其状态,也可能导致状态改变——有点像量子力学领域的“测不准原理”。

量子计算的根本优势也在于此。因为处于“叠加态”,其计算能力提升并非单纯的在于时钟频率有多高,而是利用量子力学的特性进行并行计算,这是与经典计算机完全不同的计算模式。

因为量子比特很不稳定,为减少错误,量子计算机往往要在一个高度受控制的环境中运行。谷歌之前就将量子计算机封装在一个密闭金属容器里,容器内部的温度只有 10 毫开尔文(1 开尔文的百分之一),接近绝对零度。还有研究者表示,因为量子比特会受到宇宙射线的干扰,应该把计算机放进地底或山洞里以减少干扰。这些手段有效果,但并不足以消除错误。

Google量子计算实验室中最显眼的就是降温装置丨Google

实际上,经典计算机也会出现错误,过去主要的解决方法是增加比特,作为“冗余位”,来实现信息的校验和修正。这一思路从计算机的硬件层、通讯协议层、软件层,无处不在。

但对于量子计算机来说,增加比特是很困难的,因为你无法直接测量量子比特是否存在错误,增加比特可能意味着“用不可靠的比特去纠正不可靠的比特”,最后的结果依然不可靠。

图片来源:Google

谷歌采用的方法,是通过一种“网格化”的排布,来进行纠错。Willow 采用了 7X7 的网格排布,其中 49 个量子作为数据比特,另外有 48 个量子用于测量。通过这种方式,谷歌“突破了纠错的平衡点”,即增加比特之后,能实现错误减少

这是自计算机科学家 Peter Shor 1995 年提出“量子纠错”概念以来的一次重大突破。根据谷歌发表的论文,如果未来进一步将量子比特增加,错误率将会指数级下降,降到 10^-10 量级

图片来源:Google

这为量子计算描绘了一个更值得期许的未来。

我的比特币,还保得住么?

Willow 的发布确实对加密货币市场造成了冲击。

别急……丨Giphy

一切也不难理解,如果量子计算机的天文级算力投入到通用计算领域,过去一切的算力衡量标准都将变得无效。

比特币的“挖矿”产出将进入一个全新时代,整个加密货币的产能会被彻底重新分配。包括当下加密钱包的私钥,也全部存在被破解的隐患

Google量子计算发展路线图丨Google

早在 2019 年,谷歌证明了“量子优越性”之后,就有研究者估算,一块拥有 1300 万个量子比特的芯片,只需要一天,就可以破解比特币钱包的私钥加密

实际上,不只是比特币,量子计算机潜在的天文级算力,会威胁到当下所有的加密系统,几乎所有的密钥,都可能会遭到暴力破解。如果量子计算机真的成为现实,则意味着所有的加密系统,都需要进行对应的对抗升级——是的,抗量子密码学也在高速发展之中

但同样的,量子计算机如果能广泛应用于通用领域,也意味着大量的科学研究都可能得到巨大的算力支持,从而实现新的突破。比如当下最热的 AI 模型训练,又比如生物研究,药物开发,或用于航空航天器开发过程中的流体力学分析……

尽情畅享丨Google

本周,谷歌 CEO Sundar Pichai 在 X 上发布了 Willow 芯片的介绍后,SpaceX 创始人 Elon Musk 也表达了自己的赞叹。之后 Pichai 回复称“我们应该用星舰在太空设立一个量子计算集群”,马斯克回应表示“这确实有可能发生”

量子计算,驾驭一颗恒星的力量?

只不过,这些想象,至少在目前,还依然只是想象。你的加密货币钱包暂时安全,也不会有平行世界的矿工来到我们的宇宙挖币。

因为量子比特极不稳定的状态,不只会带来错误,还意味着基于当下技术,很难对量子比特的状态进行批量复制、修改。也就是说,量子计算机很难处理大量的数据,缺乏有效的算法

谷歌量子纠错论文截图丨arXiv

目前谷歌用于测试量子计算机算力的基准测试叫“随机电路采样”——这是一种特定的量子算法,它涉及到对量子比特进行一系列随机的量子门操作,然后测量结果的分布。它目前主要用于验证量子计算机的性能,本身也是一种有意义的量子计算任务——虽然这个测试展示了量子计算机在特定问题上的巨大优势,但并不意味着量子计算机已经可以解决所有类型的计算问题

有学者这样形容当下的量子算力测试:“这就像你要用计算机,建立一个超高精度的模型,来模拟马克杯掉在地上会碎成什么样。但如果你有一个马克杯,你只需要把它往地上一丢就行了。”

总体上,目前学界对量子计算的测试方法,未来是否能应用于更广泛领域,依然存在争议和质疑。舆论场里的很多人也怀有一种朴素的观点,认为如果量子计算真的有用,那它早就改变世界了。

的确,量子计算所展现出的未来潜力太大,不可避免地被抹上科幻色彩,就连 Elon Musk 本人,在和 Sundar Pichai 交流量子计算话题时,也表示说要把人类文明提升到“卡尔达肖夫 II 型”的水平。

太阳的力量,服不服?丨Giphy

“卡尔达肖夫指数”由前苏联天文学家提出,其中“II 型文明”意味着文明能驾驭一整颗恒星级别的能量,即 100% 利用太阳的全部功率。这个目标是人类目前已利用能量功率的 10^10 倍。很显然,这个愿景本身就带有浓烈的科幻精神。

某种程度上,量子计算机的未来也处于一种叠加态,一旦证明成功,就是从 0 到 1 的改变。很难想象未来的世界具体会变成什么样——就像回到 80 年前计算机发明的时候,当时的人们也很难想象我们今天的世界

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