Google 的 Willow 突破推進量子運算準備，也讓比特幣最古老的幣面臨新問題

目錄

• 你可能想知道
• 主要議題
• 重點整理表
• 後續展望……

你可能想知道

• Google 的 Willow 實驗究竟改進了什麼？錯誤減少 40 倍代表什麼？
• 為什麼公鑰長期暴露的比特幣持有量，可能面臨與公鑰仍隱藏的錢包不同類型的風險？

主要議題

Google 表示，其 Willow 量子晶片在製備「魔態」時，將錯誤減少了約 40 倍。魔態是某些量子計算所需的特殊資源。這項成果處理的是一項工程挑戰，攸關未來量子電腦的提案能否實現；這類電腦可能威脅保護比特幣錢包的密碼學。這並不表示比特幣現在就能遭到攻擊，也不代表攻擊成本已降低 40 倍。相反地，它展現了整個流程中某一部分的進展：準備量子電腦執行困難計算時必須持續供應的量子態。

本週發表於《Science》的研究結果，為一場常聚焦於假想量子電腦規模的辯論增添了細節。所需的量子位元數量固然重要，但並非全部。機器還必須修正錯誤、產生計算所需的資源，並讓這些作業持續足夠長的時間以完成攻擊。投入這些準備工作的硬體，無法同時用於其他任務。

比特幣仰賴公鑰密碼學。錢包的私鑰可授權交易，相關的公鑰則讓網路驗證交易是否合法。一般而言，支出時會揭露公鑰；某些支付格式則會從一開始就揭露公鑰。這套密碼系統的設計，使得使用傳統運算從公鑰推導出私鑰並不切實際。這種困難是比特幣錢包安全性的基礎。

理論上，能力足夠強大的量子電腦若執行 Shor 演算法，就能反轉這種關係，從公鑰推導出私鑰。取得私鑰的人便可簽署看似由錢包持有人發出的交易，而比特幣網路會將這些簽章視為真實有效。數學家 Peter Shor 於 1994 年首次發表這種方法。然而，至今還沒有人展示量子電腦能對比特幣執行這類攻擊。

公鑰是否暴露，會影響攻擊者可能擁有多少時間。某些較新的支付格式會以雜湊值（一種數位指紋）隱藏公鑰，直到持有人進行支出。若攻擊者鎖定的是一把起初隱藏的金鑰，就必須等到它公開後，並可能得迅速推導出私鑰，才能在交易完成前加以干預。相較之下，某些較早期持有資產所關聯的公鑰早已暴露，因此假想中的未來攻擊者不必等待新交易揭露公鑰。

這讓遺失的幣成為一項難題。比特幣可以為未來的支出採用更強的防護措施，但要將既有資產移轉至新的防護系統，必須能取得控制這些資產的金鑰。如果金鑰遺失，持有人就無法授權轉移。不過，公鑰仍可能持續顯示在區塊鏈上，代表未來具備足夠能力的攻擊者仍可嘗試推導出相應的私鑰。

部分比特幣最早期的持有資產，自挖出以來公鑰便一直暴露。隨著量子議題日益受到關注，幣的移動也引起注意。10 月 7 日，100.02 BTC 在自 2010 年 7 月起未曾移動、經過 16 年多後轉出，價值約 $8.5 million。8 月，六個自 2011–2014 年起未活動的錢包又轉出 553.59 BTC，當時價值約 $40 million。這些轉帳並不能證明持有人是因量子疑慮而採取行動。幣可能因許多原因而移動，包括更換錢包、重新整理持有資產，或準備出售。

Willow 的成果聚焦於量子計算所需的繁複準備工作。量子電腦使用量子位元，它們對熱、振動和雜散訊號極為敏感。這些干擾可能造成錯誤。增加實體量子位元也會帶來更多錯誤發生的機會，因此，單純打造更大的機器，並不會自動讓它變得可靠。

為了解決這個問題，工程師會將許多實體量子位元編組，讓它們能偵測並修正錯誤。每個群組都能作為更可靠的單位運作，稱為邏輯量子位元。不過，邏輯量子位元在執行某些運算時仍需要特殊資源：研究人員稱為「魔態」的量子態。每個魔態使用後都會消耗，因此電腦必須在計算期間持續產生更多魔態。實際上，部分硬體必須不斷負責製備工作，而非執行核心計算本身。

Google 的方法稱為 cultivation，會從品質較粗略的魔態開始，檢查其錯誤，並捨棄未通過檢查的嘗試。目標是以比舊方法更少的硬體，產生品質足夠的量子態。Google 報告的保真度約為 99.99%，這是衡量完成後的量子態與預期量子態相符程度的指標。這個保真度數值只適用於通過檢查的量子態。

成功製備的比率是這項成果的另一個面向。Willow 在製備與測量檢查後，約保留了 8% 的嘗試。換句話說，每 100 次嘗試中約有 8 次成功通過。研究人員表示，還需要進一步擴大這個流程的規模、讓它能即時運作，並將量子態轉移至更強的錯誤更正架構中，確保它們在較長的計算期間仍能發揮作用。

解讀這項改進時，這項區別至關重要。某種製備方法的錯誤減少 40 倍，並不會直接轉化為攻擊比特幣錢包的成本降低 40 倍。這項實驗評估的是某種工程方法的一部分，並未展示完整攻擊，也未量化新的端對端攻擊成本。製備成功率、通過篩選的量子態品質，以及持續產生量子態的能力，都會影響這種方法在大型系統中的實用性。

這項成果也與先前的研究相互呼應。Google 在 3 月估計，在特定硬體假設下，未來一台不到 500,000 個實體量子位元的超導量子電腦，就可能破解比特幣和 Ethereum 使用的錢包密碼學。9 月，CoinDesk 報導研究人員降低了這類攻擊所用核心計算的工作量。該研究處理的是其中一個環節，而非完整攻擊，也未納入完整的實體硬體成本。

這些研究方向分別處理不同的挑戰。有些研究降低數學運算量；cultivation 則處理在機器執行運算時，持續供應所需量子態的成本。這些成果不能直接相乘。Google 3 月的估算已假設能有效率地產生魔態，而 Willow 實驗測試的是這類產生方式背後工程方法的一部分。因此，它並未使估計的比特幣攻擊成本再降低 40 倍。

3 月的論文也說明了準備工作所需的規模。針對一種模型攻擊，假設公鑰公開後攻擊持續約九分鐘，Google 估計機器每秒需要約 500,000 個可靠性足夠的魔態。這是建立在特定假設上的情境，並非證明目前的硬體已能執行這種攻擊。這也凸顯了持續產生量子態的重要性：評估未來量子威脅是否可行，關鍵不只是一次產生高品質結果。

整體而言，Willow 所報告的改進是量子工程領域的一項研究進展，並非比特幣密碼學已遭破解的證據。其重要性在於，它針對的是具備足夠能力的機器必須處理的一項高資源需求環節。從這項實驗到實際攻擊之間仍有很大差距：必須成功擴大規模、可靠地修正錯誤、持續產生量子態，並組裝出完整的機器。

CoinDesk 表示，該媒體屢獲殊榮，報導加密貨幣產業，並稱其記者遵循編輯政策，以維護誠信、編輯獨立性與免於偏見。CoinDesk 隸屬於 Bullish (NYSE:BLSH)，這是一個以機構客戶為主的全球數位資產平台，提供市場基礎設施與資訊服務。Bullish 持有並投資數位資產企業與數位資產；CoinDesk 員工（包括記者）可能獲得以 Bullish 股權為基礎的薪酬。

重點整理表

後續展望……

下一項重要指標是研究人員能否在擴大 cultivation 規模的同時，維持其產生量子態的品質與實用性。能否即時運作、修正錯誤，並可靠地將量子態送入較長的計算，將決定這項實驗室成果能否成為更大型量子系統的一部分。對比特幣而言，Willow 的研究結果提醒我們應仔細追蹤工程進展，而不是將實際攻擊視為迫在眉睫。未來的安全討論必須區分已展示的能力與模型推演的情境，同時持續評估金鑰暴露及支出防護可能的變更，對長期持有資產會有何影響。