量子计算新突破：谷歌Willow芯片对区块链安全的潜在影响

谷歌近日推出了新一代量子计算芯片Willow，这标志着量子计算领域又一重大突破。Willow芯片拥有105个量子比特，在量子纠错和随机电路采样两项基准测试中均创下同类最佳性能。

特别引人注目的是，Willow在随机电路采样测试中仅用5分钟就完成了常规超级计算机需要10^25年才能完成的计算任务。这一数字远超已知宇宙年龄，甚至超出了物理学已知的时间尺度。

Willow芯片的一个关键突破在于显著降低了错误率。随着量子比特数量增加，计算过程出错概率通常会上升。但Willow实现了错误率的指数级下降，使其低于关键阈值，为构建大规模实用量子计算机铺平了道路。

Google Quantum AI负责人Hartmut Neven表示，Willow是首个错误率低于阈值的系统，是迄今最有说服力的可扩展逻辑量子比特原型，证明了大规模实用量子计算机的可行性。

尽管Willow的105个量子比特数量还远不足以破解目前加密货币使用的密码算法，但它预示着大规模实用量子计算机的发展方向。这对区块链和加密货币领域带来了新的挑战。

目前，椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)和SHA-256哈希函数被广泛应用于比特币等加密货币交易中。研究表明，量子算法理论上可以破解这些算法，尽管所需的量子比特数量仍然很大。

比如，破解SHA-256需要数亿个量子比特，而破解ECDSA则需要百万级别的量子比特。虽然目前的量子计算机还无法构成实际威胁，但随着技术进步，未来可能会出现足够强大的量子计算机来挑战这些加密系统。

在比特币交易中，存在两类主要的钱包地址:直接使用ECDSA公钥的"支付给公钥"(p2pk)交易，以及使用公钥哈希值的"支付给公钥哈希"(p2pkh)交易。后者占比更大，但在交易时公钥会暴露。这意味着，一旦出现足够强大的量子计算机，攻击者可能在短时间内破解私钥并窃取资金。

因此，开发抗量子区块链技术，特别是对现有区块链进行抗量子升级，已成为当务之急。后量子密码(PQC)是一类能够抵抗量子计算攻击的新型密码算法，被认为是未来保护区块链和加密货币安全的关键技术。

一些研究机构已经在这一领域取得了进展。例如，有机构完成了区块链全流程的后量子密码能力建设，开发了支持多个NIST标准后量子密码算法的密码库，并实现了后量子TLS通信。同时，针对后量子签名存储膨胀的问题，通过优化共识流程和降低内存读取延迟，使得抗量子区块链的交易处理速度可达原链的50%左右。

此外，在富功能密码算法的后量子迁移方面也有突破。一些团队研发了针对NIST后量子签名标准算法Dilithium的分布式密钥管理协议，这是业界首个高效的后量子分布式门限签名协议，在性能上较现有方案有显著提升。

虽然谷歌的Willow芯片尚未对现有加密系统构成直接威胁，但它无疑为量子计算的未来发展指明了方向。随着量子计算技术的不断进步，加密货币和区块链领域需要未雨绸缪，积极开展抗量子技术研究，以确保在量子时代来临时仍能保持安全性和稳定性。