比特幣量子計算機破解

『壹』 比特幣價值將歸零谷歌計劃2029年前量子計算商用化

（思進註： 1994年，數學家Peter Shor公布了一種量子演算法，該演算法可以打破最常見的非對稱密碼演算法的安全性假設。這意味著擁有足夠大量子計算機的任何人，都可以使用此演算法通過公鑰反算出私鑰，從而偽造任何數字簽名。這是否意味著比特幣將會被量子計算機crack down…… 事實上，中心化的密鑰體系PKI，確實會有這個風險，因為大多數應用是CA+10的6次方。海量反編譯，是可以推算出中心密碼本的！也就是說，偽造PKI數字簽名是有可能的， 拭目以待吧……再轉發下文，和大家分享……）

谷歌計劃2029年前量子計算商用化，比特幣價值將歸零？

作者 | 新浪 財經

來源 | 華爾街見聞

量子計算何以對比特幣構成威脅？

在解釋這個問題前，需要先了解以下幾個知識點。

經典計算機採用二進制，用0和1構建了底層代碼的一切。量子計算機可以同時儲存和表示0和1疊加態。比特幣挖礦基於計算一種名為SHA-256的哈希函數（一種函數演算法，把任意一個字元串輸入SHA-256函數，都會輸出一個256位的二進制數）的正確值。每一個比特幣用戶在注冊的時候，系統都會生成一個隨機數，再對這個隨機數進行SHA256再進行hash160，產生一個叫做私鑰的字元串。作為數字簽名。私鑰可以對一串字元進行加密。而公鑰可以把私鑰加密之後的數據進行和解密。加密和解密的鑰匙不一樣的這種加密方式，稱之為非對稱加密。通過公鑰反算不出私鑰。如果私鑰遺失，那麼擁有者的比特幣就無法取出。

基於上述原因，由於SHA-256的正確值十分難計算，數量有限的比特幣才會變得極為稀缺和珍貴。同時由於經典計算機無法通過公鑰反算出私鑰，私人擁有的比特幣才無法被他人獲得。

但在1994年，數學家Peter Shor公布了一種量子演算法，該演算法可以打破最常見的非對稱密碼演算法的安全性假設。這意味著擁有足夠大量子計算機的任何人，都可以使用此演算法通過公鑰反算出私鑰，從而偽造任何數字簽名。

故而，在量子計算面前，比特幣的挖礦將變得輕而易舉，通過公鑰也能反算出私鑰。這令比特幣變得不再稀缺，也不再安全。

同時意味著比特幣的共識將產生崩塌，比特幣的價值也將趨零。

關於量子力學，廣為人知的還有光的波粒二象性、觀測者效應，和一個著名的思想試驗——薛定諤的貓。

量子世界是如此不合常理，以至於它曾令說出「上帝不會擲骰子「愛因斯坦，都感到困惑不解。

無論如何，量子計算機的出現，對經典計算機形成了巨大挑戰。而隨著量子計算研究進程的遞進，比特幣的破解，或許在2029年前就將成為可能。

谷歌的量子計算進程如何？

早在2019年，谷歌發表在《自然》雜志上的論文稱，其開發的54比特（其中53個量子比特可用）超導量子晶元「Sycamore」，對53比特、20深度的電路采樣一百萬次僅需200秒，最強的經典超級計算機Summit要得到類似的結果，則需要一萬年。基於這一突破，谷歌宣稱實現了「量子霸權「。

而近日在 Google I/O 大會上，領導谷歌 Quantum AI（量子 人工智慧）團隊的的科學家Hartmut Neven表示，谷歌計劃在2029年前建造數十億美元的量子計算機並將其正式商用。

谷歌的目標是建造有著100萬個量子比特的計算機。不過，谷歌同時表示，首先需要減少量子比特產生的錯誤，然後才能考慮將1000個量子比特一起構建為一個邏輯量子比特。這將為「量子晶體管」打下基礎，「量子晶體管」是未來量子計算機的基礎。目前谷歌的量子計算機只有不到100個量子比特。但要知道，互聯網誕生至今不過52年，第一台通用計算機誕生至今不過75年．

谷歌目前正在加利福尼亞州擴建一個新園區，用以專注於量子計算方面的研究工作，擴建工程將於2020年底正式完工。

在量子計算領域大舉投資和押注的公司，除了谷歌，還有IBM、D-Wave Systems、霍尼韋爾（Honeywell）。

IBM Research總監Dario Gil曾表示，2023年將是量子計算大面積使用的轉折點，屆時將能通過軟體實時查看和更新量子計算的狀態，而不再是通過以往的硬體調整。

高德納咨詢公司 （Gartner）副總裁Chirag Dekate表示，過去五年中，量子計算的創新速度超過了此前的30年，他還預計到2025年，將有近40%的大公司制定量子計算計劃。

關於對抗量子計算，目前已出現量子密碼學的相關研究。一個名為The Open Quantum Safe （OQS）的開源項目已於2016年啟動，目標為開發抗量子的密碼形式。

『貳』 用量子計算機破解比特幣演算法需要多長時間

破解比特幣區塊鏈演算法需要多長時間？蘇塞克斯大學的研究團隊評估認為， 擁有 3.17 億個量子比特的量子計算機可以在 1 個多小時內突破比特幣的加密；擁有 19 億個量子比特的量子計算機可以在 10 分鍾內破解加密。

所有的比特幣交易在添加到區塊鏈之前都需要由加密貨幣礦工網路進行驗證。這個驗證系統告訴系統誰擁有賬本中的什麼金額。在驗證過程中，交易被賦予了一個帶有加密密鑰的指定。如果一個人或團體破解了這個密碼，它將允許訪問和擁有比特幣集群。

不過現階段最強大的量子計算機是擁有 127 個量子比特（qubits）的 IBM 超級計算機，是破解比特幣代碼的最佳設備。Webber 表示在量子計算機取得巨大突破之前，想要破解比特幣的演算法是不太可能的。而想要發明這種高性能的量子計算機，至少還需要 10 年以上時間。

但 Webber 和他的同事仍然對比特幣的未來表示擔憂。他說道：「我們需要改變我們的加密技術，因為在未來，它們並不安全」。

『叄』 為什麼說量子計算機可輕易破解比特幣，究竟怎麼

摘要：在位於紐約市以北約50英里處僻靜鄉村中的一個小型實驗室內，天花板下纏繞著錯綜復雜的管線和電子設備。這一堆看似雜亂無章的設備是一台計算機。它與世界上的任何一台計算機都有所不同，而是一個即將開創歷史的里程碑式設備---量子計算機。

2017年5月3日，科技界的一則重磅消息：世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機誕生。這個「世界首台」是貨真價實的「中國造」，屬中國科學技術大學潘建偉教授及其同事等，聯合浙江大學王浩華教授研究組攻關突破的成果。
如果現在傳統計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。在過去的幾個月里，IBM和英特爾已經宣布他們已經分別製造了50和49個量子比特的量子計算機。有專家指出，在十年之內，量子計算機的計算能力就可能趕超當前的超級計算機。

2018年3月5日在洛杉磯舉行的美國物理學年會上，谷歌量子AI實驗室研究科學家Julian Kelly報告了，帶領谷歌團隊正測試一台72量子比特通用量子計算機。然而，這還是僅僅是72量子比特而已。按照這個速度發展下去，很快量子計算機的神通，將強勁得讓人恐懼。
那麼，為什麼說量子計算機可輕易破解比特幣，究竟怎麼回事？
要破解現在常用的一個RSA密碼系統，用當前最大、最好超級計算機需要花60萬年，但用一個有相當儲存功能的量子計算機，則只需花上不到3個小時！也就是說，從電子計算機飛躍到量子計算機，整個人類計算能力、處理大數據的能力，就將出現上千上萬乃至上億次的提升。在量子計算機面前，我們曾經引以為豪的傳統電子計算機，就相當於以前的算盤，顯得笨重又古老！

雖然比特幣協議使用的是不對稱的加密貨幣，用相應的公鑰驗證私鑰簽署的交易，以確保比特幣只能被合法所有人使用。使用當前可用計算機強制私鑰與公鑰保持一致不可行，但量子計算機卻可以解決不對稱加密貨幣的問題。
另外，比特幣的規定是處理得更多的那個區塊加入區塊鏈，另一個區塊則作廢。舉個例子，這就像於在一個賬簿里有51個人說你在銀行存了100塊錢，而49個人說你存了50塊錢，這種情況下，區塊鏈演算法少數服從多數，銀行認為你存了100塊錢是真，存了50塊錢是假。所以一旦一位礦工擁有51%的算力，其他後續礦工將無法繼續獲得比特幣。

Andersen Cheng，英國一家網路安全公司的聯合創始人，他表示在量子計算機投入使用的那一天，比特幣就會終結。你覺得呢？

『肆』 比特幣有沒有可能被破解

比特幣的破解是有可能但幾乎不可能的，僅僅存在理論可能。

從背景和基本原理上來講，比特幣賬戶購物城是通過秘鑰-公鑰-地址的結構形式來構成的，可以大致理解成鑰匙-箱子-箱子編號的基本模式，比特幣的破解實際上就是從箱子編號或者從箱子入手破解到鑰匙。

破解比特幣的攻擊手段一般意義上只有兩種，一種是通過字典的方式進行攻擊，也就是通過腦錢包直接破解。這種破解方式並非直接破解比特幣持有者的比特幣秘鑰，而是去破解比特幣持有者為記憶比特幣秘鑰而新設置的便捷密碼，也就是腦錢包。如果是這種方式的話，首先需要比特幣持有者通過腦賬戶設置一個新密碼，同時需要對包含別的比特幣持有者的個人生活信息十分了解才能破解。如果比特幣持有者不設置腦賬戶的話，那麼就無法通過這個方式進行破解。

其次是通過暴力破解的手段進行破解，也就是通過枚舉法列舉出所有可能的數字字母與符號的排列組合。以這些全部的組合一一進行嘗試破解。但通過這種方式破解出比特幣秘鑰的可能性就更低了，因為比特幣的秘鑰是由256位二進制數字組成的。這是一個非常大的數字，使用十進制進行表示大約是十的77次方。目前市面上絕大多數的電腦算力是無法完成這個計算過程的，即便完成也需要花費幾千年甚至上萬年的時間。只有科研機構與高校內的部分量子計算機才可能實現這一目標。

『伍』 量子計算機會破壞比特幣和互聯網嗎

• 在當前情況下，量子計算機無法幫助進行比特幣挖礦
• 轉向量子計算機不會影響挖礦速度，因為隨著價格的飆升，挖礦難度也會增加
• 確實，量子演算法的推出將使傳統的加密貨幣系統面臨風險

在目前的情況下，我們沒有這樣的量子演算法，但是如果將來我們發現它，該怎麼辦？眾所周知，比特幣旨在識別挖礦速度，並且同樣提高了挖礦難度。意味著找到演算法後難度將變得更加復雜。

實際上，現在實際上不可能使用普通計算機進行挖礦，因此礦工使用ASIC晶元來挖比特幣。當前，使用了兩種加密貨幣，RSA和橢圓曲線加密貨幣。實際上，這兩種加密貨幣方法都容易受到量子計算機的攻擊。 根據Anastasia的說法，我們只需要2500 cubits即可中斷algoant中斷EC，而需要約4000 cubit才能中斷RSA。

在當前情況下，硬分叉是不可能的，因為許多用戶丟失了他們的錢包地址和硬幣。現在，令人擔憂的因素是，量子計算機可以輕松地幫助追蹤那些丟失的錢包，而黑客可以使用此類計算機解密並獲取此類丟失的硬幣。

但是，主要的關注點是量子計算機的研究。此類計算機系統的進入將使加密貨幣系統面臨風險。該系統可能是比特幣的破壞者。

『陸』 中比特幣勒索病毒怎麼辦 比特幣電腦病毒破解方法

目前就連FBI都有破解不了，硬碟全盤重新分區，格式化，重新系統吧，

『柒』 為什麼比特幣的私鑰無法被攻破

關於：為什麼比特幣的私鑰無法被破解？

以下為正文：

破解比特幣私鑰，實際上就是要在 1 到 2²⁵⁶ 之間找到一個數，這個數對應的錢包裡面有比特幣。

2²⁵⁶ 約等於 10⁷⁷，這是個巨大的數字，對比的話，人類可觀測宇宙的基本粒子也就是在 10⁸⁰ 這個數量級上。

人類現有的超級計算機，前 500 強加起來的算力，大約是每秒進行 10¹⁸ 次浮點運算，有興趣的人可以算一算，就算每次浮點運算能完成一次破解比特幣的嘗試，那完成破解需要多少時間。簡單說，一年約有 3.1536 × 10⁷ 秒，按上文的假設，破解一個比特幣需要的時間在 10⁵¹ 年這個數量級上。

實際上要花的時間比這多的多，比特幣網路計算的是哈希值，現在比特幣全網每秒可以做約 1.51 × 10¹⁸ 次哈希運算，這差不多相當於每秒做 1.91 × 10²² 次浮點運算，這遠超過現有的超級計算機的算力（換句話說就是超級計算機沒法對比特幣網路進行攻擊，能力差距太大，這和比特幣網路解決的是一個專門問題，超級計算機要解決的是各種不同問題有關系）。

無論如何，我覺得超過 10⁴ 年（也就是一萬年）的時間對我們的意義都不大了，甚至超過 10² 年（也就是一百年）的時間對我們都沒有多大意義。想想，要花那麼多年，只是破解一個錢包的私鑰，還不知道這錢包里有多少比特幣，這事情實在沒有做的意義，就算是知道某個錢包里有很多比特幣，投入產出也不可能合算。

這些年間，被盜的比特幣都是從人類這邊搞的，都是什麼從持幣人手裡盜取了私鑰之類的事情，直接攻擊比特幣網路嘗試破解私鑰的，聞所未聞，未來估計也不可能有了。

有些人擔心量子計算機，首先，量子計算機現在還是早期，解決的都是特定問題，沒有針對處理比特幣網路的問題，其次，量子計算機的算力現在還是比較低的，遠遠威脅不到比特幣網路，第三，就算量子計算機將來發展起來了，比特幣網路也會一並演進的，到時肯定會有針對性的升級。總之，量子計算機並不是比特幣的一個威脅。

以下為該文的參考文獻；

How Hard Is It to Brute Force a Bitcoin Private Key?

https://news.bitcoin.com/how-hard-is-it-to-brute-force-a-bitcoin-private-key/

超級計算機 500 強

https://en.wikipedia.org/wiki/TOP500

PetaFLOPS and how it relates to Bitcoin

https://bitcointalk.org/index.php?topic=50720.0

Bitcoin Total Hash Rate（比特幣全網算力）

https://www.blockchain.com/charts/hash-rate

Observable universe（可觀測宇宙）

https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe

『捌』 為什麼說比特幣是不能破解的，用量子計算機也不行

因為加密遠比解密代價小
假設以數字+大小寫字母（共62種字元）設置密碼，某超級計算機1秒能暴力嘗試10億個密碼，那麼：
破解5位密碼需要1秒（62^5=9.2億），
破解6位密碼需要62秒，
破解7位需要1小時，
破解8位需要2.5天，
破解9位需要半年，
破解12位需要10萬年（超過人類文明史），
破解15位需要243億年（超過宇宙年齡）。
15位密碼不過比5位密碼多輸入幾位，耗時幾秒，卻導致解密代價高到了幾乎不可能的程度。
量子計算機即使帶來一億倍的破解速度提升，那也不過是抵消了比特幣256位私鑰長度中的27位而已（2^27=1.3億）。就算外星人出現，連續發生了數次一億倍破解速度提升（每次抵消27位私鑰長度），比特幣也只要簡單地把私鑰長度升級到512位即可。

『玖』 比特幣是可以破解的嗎

首先講一下背景，比特幣「賬戶」的基本原理就是 密鑰-公鑰-地址，你可以大致理解為「鑰匙-箱子-箱子編號」。現在就是要從箱子編號或者箱子入手破解到鑰匙。
攻擊手段基本上就兩種，一種字典攻擊所謂腦錢包，另外一種就是暴力破解。
字典攻擊就是把常用的密碼以及其簡單變種，組合作為鑰匙一個一個試。只要你的pass phrase不過硬，這種手段攻擊成功的可能性很高。所以要用這個的話，需要先普及一下密碼學知識，不要以為密碼很長再加個&就很安全了。
如果你不是用pass phrase生成的錢包，就只能暴力破解了，相當於枚舉所有可能的鑰匙，目前來看這個是不可能的，哪怕電子計算機越來越強大。但是，量子計算機理論上是可以做到的，不過不用太擔心，真的有這么強大的量子計算機出來的話，不僅僅危及到比特幣而已。
同時，比特幣還有第二層防護：如果一個地址只接受而還沒有輸出比特幣的話，他的公鑰都是保密的，就是說箱子別人都看不到只能看到箱子編號。目前來看從箱子編號反推箱子這個過程連量子計算機也做不到。換句話說，真的有量子計算機的話，比特幣還有最後一道防線：把你的錢轉移到一個全新的地址就暫時安全了。
最後，前一段時間，Android上的客戶端生成的錢包被攻擊了，這個是因為底層隨機數生成器有bug。其實就是這個函數不隨機SecureRandom，Google很快承認並修復了這個問題。這種事情會不會再有也不好說，不過我覺得不用太過擔心。

『拾』 強大的量子計算機可以破解加密並解決經典計算機無法解決的問題

強大的量子計算機可以破解加密並解決經典機器無法解決的問題。雖然目前還沒有人成功製造出這樣的設備，但最近我們看到了進步的步伐——那麼，會是新的一年嗎？目前，注意力集中在一個被稱為量子霸權的重要里程碑上：在合理的時間范圍內，量子計算機能夠完成經典計算機無法完成的計算。

谷歌在2019年首次使用具有 54 個量子位（常規計算位的量子等價物）的設備來執行稱為隨機抽樣計算的基本上無用的計算，從而實現了這一目標。2021 年，中國科學技術大學的一個團隊使用 56 個量子比特解決了一個更復雜的采樣問題，後來又用 60 個量子比特將其推得更遠。

但IBM 的Bob Sutor表示，這種跨越式 游戲 是一項尚未產生真正影響的學術成就。只有當量子計算機明顯優於經典計算機並且能夠解決不同問題時，才能實現真正的霸權，而不是目前用作基準的隨機抽樣計算。

他說，IBM 正在努力實現「量子商業優勢」——在這一點上，量子計算機可以比傳統計算機更快地為研究人員或公司解決真正有用的問題。Sutor說，這還沒有到來，也不會在新的一年到來，但可以預期在十年內。

量子軟體公司Classiq的聯合創始人Nir Minerbi則更為樂觀。他認為，新的一年將在一個有用的問題中展示量子霸權。

還記得第一輛電動 汽車 問世的時候嗎？它們對於開車去雜貨店很有用，但也許不適合開車300公里送孩子上大學。就像電動 汽車 一樣，量子計算機會隨著時間的推移變得越來越好，使其在更廣泛的應用中發揮作用。

解決實際問題存在許多障礙。首先是設備需要數千個量子比特才能做到這一點，而且這些量子比特也必須比現有的更穩定和可靠。研究人員很可能需要將它們分組在一起，以作為單個「邏輯量子比特」工作。這有助於提高保真度，但會削弱規模的改進：數千個邏輯量子位可能需要數百萬個物理量子位。

隨著時間的推移，量子計算機會變得更好，在一系列應用中變得有用

研究人員還致力於量子糾錯，以在出現故障時對其進行修復。谷歌在2021年7月宣布，其Sycamore處理器能夠檢測並修復其超導量子比特中的錯誤，但執行此操作所需的額外硬體引入的錯誤多於修復的錯誤。馬里蘭州聯合量子研究所的研究人員後來設法用他們捕獲的離子量子比特通過了這個關鍵的收支平衡閾值。

即便如此，現在還為時過早。如果通用量子計算機在新的一年解決了一個有用的問題，那將是「相當令人震驚的」。在任意時間內保護單個編碼的量子位，更不用說對數千或數百萬個編碼的量子位進行計算了。

量子計算機需要多大才能破解比特幣加密或模擬分子？

預計量子計算機將具有顛覆性，並可能影響許多行業領域。因此，英國和荷蘭的研究人員決定 探索 兩個截然不同的量子問題：破解比特幣（一種數字貨幣）的加密以及模擬負責生物固氮的分子。研究人員描述了他們創建的一種工具，用於確定解決此類問題需要多大的量子計算機以及需要多長時間。

這一領域的大部分現有工作都集中在特定的硬體平台、超導設備上，就像 IBM 和谷歌正在努力開發的那樣。不同的硬體平台在關鍵硬體規格上會有很大差異，例如運算速率和對量子比特（量子比特）的控制質量。許多最有前途的量子優勢用例將需要糾錯量子計算機。糾錯可以通過補償量子計算機內部的固有錯誤來運行更長的演算法，但它是以更多物理量子比特為代價的。從空氣中提取氮來製造用於肥料的氨是非常耗能的，改進這一過程可能會影響世界糧食短缺和氣候危機。相關分子的模擬目前甚至超出了世界上最快的超級計算機的能力，但應該在下一代量子計算機的范圍內。

我們的工具根據關鍵硬體規格自動計算糾錯開銷。為了讓量子演算法運行得更快，我們可以通過添加更多物理量子位來並行執行更多操作。我們根據需要引入額外的量子位以達到所需的運行時間，這嚴重依賴於物理硬體級別的操作速率。大多數量子計算硬體平台都是有限的，因為只有彼此相鄰的量子位才能直接交互。在其他平台中，例如一些捕獲離子的設計，量子位不在固定位置，而是可以物理移動——這意味著每個量子位可以直接與大量其他量子位相互作用。

我們 探索 了如何最好地利用這種連接遙遠量子位的能力，目的是用更少的量子位在更短的時間內解決問題。我們必須繼續調整糾錯策略以利用底層硬體的優勢，這可能使我們能夠使用比以前假設的更小的量子計算機來解決影響深遠的問題。

量子計算機在破解許多加密技術方面比經典計算機更強大。世界上大多數安全通信設備都使用 RSA 加密。RSA 加密和比特幣使用的一種（橢圓曲線數字簽名演算法）有一天會容易受到量子計算攻擊，但今天，即使是最大的超級計算機也永遠不會構成嚴重威脅。研究人員估計，一台量子計算機需要的大小才能在它實際上會構成威脅的一小段時間內破解比特幣網路的加密——在它宣布和集成到區塊鏈之間。交易支付的費用越高，這個窗口就越短，但可能從幾分鍾到幾小時不等。

當今最先進的量子計算機只有50-100個量子比特。「我們估計需要30[百萬] 到3億物理量子比特，這表明比特幣目前應該被認為是安全的，不會受到量子攻擊，但這種尺寸的設備通常被認為是可以實現的，未來的進步可能會進一步降低要求。比特幣網路可以對量子安全加密技術執行『硬分叉』，但這可能會由於內存需求增加而導致網路擴展問題。

研究人員強調了量子演算法和糾錯協議的改進速度。四年前，我們估計捕獲離子設備需要 10 億個物理量子比特才能破解 RSA 加密，這需要一個面積為 100 x 100 平方米的設備。現在，隨著全面改進，這可能會顯著減少到僅僅 2.5 x 2.5 平方米的面積。大規模糾錯量子計算機應該能夠解決經典計算機無法解決的重要問題。模擬分子可應用於能源效率、電池、改進的催化劑、新材料和新葯的開發。進一步的應用程序全面存在——包括金融、大數據分析、飛機設計的流體流動和物流優化。

什麼是量子啟示錄？

想像一個加密的秘密文件突然被破解的世界——這就是所謂的「量子啟示錄」。簡而言之，量子計算機的工作方式與上個世紀開發的計算機完全不同。從理論上講，它們最終可能會比今天的機器快很多很多倍。這意味著面對一個極其復雜和耗時的問題——比如試圖解密數據——其中有數十億的多個排列，如果有的話，一台普通的計算機需要很多年才能破解這些加密。但理論上，未來的量子計算機可以在幾秒鍾內完成這項工作。這樣的計算機可以為人類解決各種問題。英國政府正在牛津郡哈威爾投資國家量子計算中心，希望徹底改變該領域的研究。

一種用於量子計算的新語言

Twist是麻省理工學院開發的一種編程語言，可以描述和驗證哪些數據被糾纏在一起，以防止量子程序中的錯誤。時間結晶、微波爐、鑽石，這三個不同的東西有什麼共同點？量子計算。與使用比特的傳統計算機不同，量子計算機使用量子比特將信息編碼為0或1，或兩者同時編碼。再加上來自量子物理學的各種力量，這些冰箱大小的機器可以處理大量信息——但它們遠非完美無缺。就像我們的普通計算機一樣，我們需要有正確的編程語言才能在量子計算機上正確計算。

對量子計算機進行編程需要了解一種叫做「糾纏」的東西，這是一種用於各種量子比特的計算機，它可以轉化為強大的能量。當兩個量子位糾纏在一起時，一個量子位上的動作可以改變另一個量子位的值，即使它們在物理上是分開的，這引起了愛因斯坦對「遠距離幽靈動作」的描述。但這種效力同樣是弱點的來源。在編程時，丟棄一個量子位而不注意它與另一個量子位的糾纏會破壞另一個量子位中存儲的數據，從而危及程序的正確性。

麻省理工學院計算機科學與人工智慧 (CSAIL) 科學家旨在通過創建自己的量子計算編程語言 Twist 來解開謎團。Twist 可以通過經典程序員可以理解的語言來描述和驗證量子程序中糾纏了哪些數據。該語言使用一個稱為純度的概念，它強制不存在糾纏並產生更直觀的程序，理想情況下錯誤更少。例如，程序員可以使用 Twist 表示程序作為垃圾生成的臨時數據不會與程序的答案糾纏在一起，從而可以安全地丟棄。

雖然新興領域可能會讓人感覺有點浮華和未來感，但腦海中浮現出巨大的金屬機器的圖像，但量子計算機具有在經典無法解決的任務中實現計算突破的潛力，例如密碼學和通信協議、搜索以及計算物理和化學。計算科學的主要挑戰之一是處理問題的復雜性和所需的計算量。經典的數字計算機需要非常大的指數位數才能處理這樣的模擬，而量子計算機可能會使用非常少量的量子位來做到這一點——如果那裡有正確的程序。 「我們的語言 Twist 允許開發人員通過明確說明何時不得與另一個量子位糾纏來編寫更安全的量子程序，」麻省理工學院電氣工程和計算機科學博士生、有關 Twist的新論文的主要作者 Charles Yuan 說. 「因為理解量子程序需要理解糾纏，我們希望 Twist 為開發語言鋪平道路，讓程序員更容易應對量子計算的獨特挑戰。」

解開量子糾纏

想像一個木箱，它的一側伸出一千根電纜。您可以將任何電纜從包裝盒中拉出，也可以將其完全推入。

在你這樣做一段時間後，電纜會形成一個位模式——零和一——取決於它們是在裡面還是在外面。這個盒子代表了經典計算機的內存。該計算機的程序是關於何時以及如何拉電纜的一系列指令。

現在想像第二個外觀相同的盒子。這一次，你拉一根電纜，看到它出現時，其他幾根電纜被拉回了裡面。顯然，在盒子內部，這些電纜不知何故相互纏繞。

第二個框是量子計算機的類比，理解量子程序的含義需要理解其數據中存在的糾纏。但是檢測糾纏並不簡單。你看不到木箱，所以你能做的最好的就是嘗試拉動電纜並仔細推理哪些是糾纏的。同樣，今天的量子程序員不得不用手推理糾纏。這就是 Twist 的設計有助於按摩其中一些交錯的部分。

科學家們設計的Twist具有足夠的表現力，可以為著名的量子演算法編寫程序並識別其實現中的錯誤。為了評估Twist的設計，他們對程序進行了修改，以引入某種對於人類程序員來說相對不易察覺的錯誤，並表明Twist可以自動識別錯誤並拒絕程序。

他們還測量了程序在運行時方面的實際執行情況，與現有的量子編程技術相比，它的開銷不到4%。

對於那些擔心量子在破解加密系統方面的「骯臟」名聲的人來說，Yuan 表示，目前還不清楚量子計算機在實踐中能夠在多大程度上實現其性能承諾。「在後量子密碼學方面正在進行大量研究，這些研究之所以存在，是因為即使是量子計算也不是萬能的。到目前為止，有一組非常具體的應用程序，人們在這些應用程序中開發了量子計算機可以超越經典計算機的演算法和技術。」

重要的下一步是使用Twist創建更高級別的量子編程語言。今天的大多數量子編程語言仍然類似於匯編語言，將低級操作串在一起，沒有注意數據類型和函數等東西，以及經典軟體工程中的典型內容。

量子計算機容易出錯且難以編程。通過引入和推理程序代碼的「純度」，Twist 通過保證一段純代碼中的量子位不會被不在該代碼中的位更改，朝著簡化量子編程邁出了一大步。 這項工作得到了麻省理工學院-IBM 沃森人工智慧實驗室、國家科學基金會和海軍研究辦公室的部分支持。

【注釋. 量子計算機】

量子計算機是一種直接利用量子力學現象（如疊加和糾纏）對數據進行運算的計算設備。量子計算背後的基本原理是量子屬性可以用來表示數據並對這些數據執行操作。

盡管量子計算仍處於起步階段，但已經進行了一些實驗，在這些實驗中，量子計算操作是在非常少量的量子比特（量子二進制數字）上執行的。實踐和理論研究都在繼續進行，許多國家政府和軍事資助機構支持量子計算研究，以開發用於民用和國家安全目的的量子計算機，例如密碼分析。

如果可以建造大規模的量子計算機，它們將能夠比我們目前的任何經典計算機（例如 Shor 演算法）更快地解決某些問題。量子計算機不同於DNA計算機和基於晶體管的傳統計算機等其他計算機。一些計算架構（例如光學計算機）可能會使用經典的電磁波疊加。如果沒有一些特定的量子力學資源，例如糾纏，推測不可能超過經典計算機的指數優勢。