谷歌72位量子计算机面世，比特币还安全吗？

在今年于洛杉矶举办的美国物理学会年会上，谷歌放了一个大招，发布全球首个 72 位量子比特通用的量子计算机 Bristlecon，实现 1% 的低错误率，与谷歌之前涉及的 9 量子比特通用的量子计算机持平。这款处理器不仅能够帮助科学家们进行量子模拟的探索，还能够在量子优化和量子机器学习上有所应用。

谷歌相关人员表示：

我们谨慎且乐观地认为，Bristlecone可以实现量子霸权（Quantum Supremacy）。

谷歌最新量子处理器 Bristlecon

关于这台量子计算机，我们可以了解以下几点概念：

量子霸权

“量子霸权”也称为“量子优越性”，这个词涉及量子计算机在某些类型的方程上超越经典超级计算机的能力。具体来说，50 量子比特的量子计算机优于现在的任何一台经典计算机。达到量子霸权才算真正意义的量子计算机。不过，测量量子处理器的性能以确定量子霸权是否已经实现的度量标准也是量子物理学家之间争论的焦点。

众所周知，量子计算机的计算能力大大超过最先进的超级计算机的能力。有专家认为，这可以说是量子芯片发展的一大步，量子以二维布局排列，使得控制系统变得更加复杂。这更接近实现表层编码所需要的条件，即操纵量子系统中的量子以执行有用计算的能力。Google 相关工作人员认为，此次发布的新处理器不仅将实现量子霸权，而且谷歌已经开发出一种基准测试工具来衡量量子计算机是否已经达到量子霸权的标准。这个测试可以将随机单个量子电路应用于处理器，并测量经典模拟的输出。

Bristlecone

这台计算机由谷歌量子 AI 实验室（Google Quantum AI lab）开发，基于 Google 研究人员开发的九比特矩阵，类似于松果的外形，因此被命名为 Bristlecone（狐尾松）。谷歌量子 AI 实验室的目标是建造可以用于解决真实世界问题的量子计算机，他们的研究策略是在可以和大规模、通用化、可纠错的量子计算机向前兼容的系统上探索短期解决方案。

芯片结构示意图，每一个「X」代表一个量子比特，相邻最近的量子比特之间相连

为了让量子处理器运行经典模拟算法之外的算法，它当然需要更多的量子比特（qubit）数目，但它还需要更多。最关键的是，这个处理器必须在读取以及单、双量子比特门之类逻辑操作中保持很低的错误率。

量子比特

量子比特是数字比特的量子模拟形式，是传统计算机处理的最小信息单位。然而，数字比特是二进制的，只能在 0 和 1 之间选择。而量子比特可以存在于叠加的状态中（其值可以是 0、1 或其他组合）。如果是N个量子比特，理论上可以同时存储 2^N 的数据。比如 250 个量子比特可存储的数据就是2^250，这个数字比已知宇宙所有原子加起来还要多。量子计算机在进行运算时，可以同时计算2^N的数学运算，相当于经典计算机要重复2^N的计算。由此可见，量子计算机可以节约大量的时间和计算单元，让量子计算机可以查询数据库、分解大素数或创建复杂的科学模型，而且比超级计算机更高效更准确。

量子比特数

但是创建一个大型的量子计算机不仅仅是将一堆量子比特串在一起那么简单。创建量子比特阵列是一项具有挑战性的任务。通常需要特殊材料，需要昂贵的激光设置和/或极端的环境条件才能创建成功并正常运行，具体取决于量子比特是基于离子、自旋半导体还是基于 Google 处理器或者超导电路。

需要注意的是，量子比特本身对噪声环境干扰非常敏感，非理想环境可能会导致量子比特的状态出现问题，因此非常容易出错。以最小的错误率创建强大的量子位阵列是物理学家和功能强大的量子计算机之间最大的障碍之一。

错误率

由于量子的状态非常不稳定，所以仅有 50 个量子比特是远远不够的，因为量子比特的量子纠缠会出错，只有足够多的量子比特和低的错误率才能实现真正意义的量子霸权。

安装 Bristlecone

这台 72 位量子计算机所使用的量子位矩阵（与之前的 9 量子比特通用量子计算机）能够实现 1％ 的读取错误率、0.1％ 的单量子比特门错误率和 0.6％ 的双比特门错误率。量子比特门就是量子门（也叫量子逻辑）是基本的，操作一个小数量量子比特的量子线路 。它是量子线路的基础，就像传统逻辑门跟一般数字线路之间的关系。常见量子门针对一个或两个量子比特进行逻辑运算，最终产生单个输出。

量子计算机可能破解比特币

目前量子计算机只在科研领域有所应用，但如果真如 Google 实验室所言，Bristlecone 能达到量子霸权，那么比特币等基于区块链技术的虚拟货币可能将被破解。

根据区块链中少数服从多数的原则，一旦矿工拥有 51% 的算力，其他后续矿工将无法继续获得比特币。而未来随着量子计算机量子比特的增长，区块链采用的非对称密码算法，即公钥密码系统也会受到更大的威胁。

通过使用量子计算机，可以实现反向运行用公钥推定私钥的过程，每个人的私钥都会被量子计算机轻易推断出来。外媒Motherboard认为一个4000量子比特的量子计算机就可以瓦解区块链，也就是说哪个人或团队先做出并应用这样的量子计算机就可以解出并验证每一笔交易，未来会产生的还未流通的所有加密货币都会被其垄断，加密货币的信任系统将被瓦解。详情可参见 FreeBuf 的专题文章：量子计算从概念走入现实，公钥加密是否岌岌可危。

严格意义上讲，量子计算机的问世会威胁到现有体系所有的加密学，将改写整个金融和银行业的安全防护。

不过，很多科学家认为量子计算机并不能取代经典计算机。因为量子计算机的计算特点决定了它只能应用在少部分领域中，而经典计算机的工作范围远远超过量子计算机。

但是，各位区块链技术开发者也要加强警惕了，谷歌这台量子计算机一出，预示着未来的区块链领域可能会出现翻天覆地的变化。

参考来源：

http://www.freebuf.com/articles/database/139347.html

https://motherboard.vice.com/en_us/article/pam958/bristlecone-google-quantum-computer-72-qubits

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E9%96%98 （量子门）

https://research.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html

https://www.cnbeta.com/articles/tech/704777.htm