量子计算解析：它与经典计算机有何不同，以及为何对比特币至关重要

量子计算究竟是什么？它与普通计算机有何不同？比特币用户为何应关注？

比特币新手经常遇到这些问题，必须应对它们引发的担忧：如果功能性的量子计算机被制造出来，比特币可能会面临真正存在的危险。

拥有比特币的能力基于一个基本前提：除非私钥被直接泄露，否则只有私钥持有者才能授权涉及该密钥保护的比特币的交易。量子计算挑战了这一前提。

量子计算机不仅仅是“更快版本的计算机”。它们运作的基础与经典计算机截然不同，使得它们在非常特定类型的计算上效率高得多。显然，对量子计算进行详细的技术解释超出了本文的范围，但本文将概述它们与经典计算机不同的核心概念。

考虑每种计算机如何处理大型加密密钥。

经典计算机

经典计算机中的每一条数据都以1和0的序列表示。每个比特明确地要么是1要么是0。数据以逐比特、逐步、一次一个比特的方式存储、操作和修改。

计算机线性工作。它一步步地修改离散、明确的数据片段。在逐步过程中，它不能跳过或走捷径；它必须按顺序执行每个计算步骤。

当计算机生成私钥时，它获取一个随机值并以1和0的形式存储在内存中。然后，它将此值乘以椭圆曲线的生成点以生成公钥。这是通过算法完成的——本质上是指令，关于取哪些比特、如何修改它们以及使用哪些物理电路，最终将新的、修改后的值放回内存。

生成有效地址需要额外的步骤，但对于本讨论而言它们不是必要的。它们遵循相同的模式：修改内存中1和0的逐步指令。

如果有人想用计算机猜测他人的私钥呢？

有2^256个可能的私钥——即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个不同的可能性。

计算机需要逐一测试每一个私钥（或尽可能并行测试），按照确切的密钥生成指令。并行检查的密钥越多，所需的算力就越大，而且无法绕过这一成本。

算力更少意味着时间更多；时间更少需要算力更多。

这对于经典计算机来说是一项不可能完成的任务。一方面，计算成本超过了地球上所有计算机的总能力。另一方面，所需的时间如此巨大，以至于在检查完所有密钥之前，宇宙中每一颗恒星都会燃尽。

要成功，需要一种不同的方法——一种不依赖于线性或并行检查密钥的方法。这就是量子计算登场之处。

量子计算机

量子计算机不处理离散状态。虽然一切最终仍然是1或0，但基本信息单元是量子比特。与比特不同，量子比特存在于叠加态中，同时既是1又是0。只有在被观测时，它才坍缩到一个确定的状态。

叠加态是关键构建块之一。另一个是纠缠。量子比特并非孤立存储；代表它们的物理原子发生纠缠。当被观测并坍缩时，纠缠的原子无论距离多远都会坍缩到同一状态。

这里的解释变得有些模糊，但基本直觉仍在。经典算法是一组指令，它取特定的比特并逐步修改，直到输出一组新的比特。它将一个离散状态转换为另一个。

量子比特在被观测之前不存储离散状态。它们存储概率。当任何给定大小的量子比特（假设2^256个）发生纠缠时，每个纠缠的原子存储为1或0的概率。操纵一个原子会改变所有纠缠原子的概率。

这对于经典机器来说很难模拟——对于大的系统几乎不可能——因为经典机器必须同时跟踪所有这些概率。而对于量子计算机来说，这是其本质。

关键在于：由于量子比特被纠缠和操纵，运行量子算法实际上允许一次检查所有可能的输入值。

回想一下检查私钥的例子。经典计算机一次测试一个私钥。若算力足够，它可以并行测试多个。但这个任务如此庞大，密钥数量大得难以想象。量子计算不需要逐一检查每个密钥。

使用2^256个纠缠的量子比特，量子算法可以同时将所有可能的私钥编码到系统中，并一次性地对所有可能性运行检查算法。它通过操纵纠缠系统的概率，直到得到答案，从而有效地找到正确的密钥。

这比逐一检查每个密钥快得多，至少对于比特币加密技术中使用的算法（椭圆曲线加密）而言是这样。

截至2024年，我们距离制造出足够大且足够稳定以破解比特币加密技术的量子计算机还有多年时间。但理论基础是坚实的，并且进展持续稳定。

这是对量子计算的一些基础理解。它是一种不同类型的机器，处理概率和纠缠，而非离散的逐步操作。对于某些问题——比如给定公钥找到私钥——量子计算机拥有巨大潜力。对于许多其他任务，经典计算机仍然完全足够，并且在可预见的未来仍将如此。

既然我们已经明确了量子计算机是什么，我们可以审视它们对比特币构成的威胁。

敬请期待本刊的其余内容。

本文刊登于最新一期《比特币杂志》印刷版“量子特刊”。在此分享，作为对整期特刊所探讨思想的预览。