小心比特幣：加州理工學院（Caltech）稱，破解密碼的量子電腦可能比預期更快到來

簡言之

• 加州理工學院（Caltech）的研究人員表示，量子電腦可能只需 10,000–20,000 個量子比特（qubits）就能破解現代加密。
• 研究提出了一種針對中性原子量子電腦的新型錯誤更正（error-correction）方法。
• 這項突破可能加速能夠運行 Shor’s algorithm（蕭爾演算法）的機器的時程，因為該演算法威脅到廣泛使用的加密技術。

根據加州理工學院（California Institute of Technology）的最新研究，能夠破解現代加密的量子電腦所需的量子比特數量，可能比先前認為的少得多。
在週一發表的研究中，Caltech 與位於帕薩迪納（Pasadena）的 Oratomic（一家由 Caltech 研究人員創立的量子運算新創公司）合作，開發出一種新的中性原子系統：透過雷射俘獲並控制單個原子，讓它們充當量子比特。如此一來，容錯型量子電腦就可能運行 Shor’s algorithm，該演算法可從用於比特幣橢圓曲線加密（elliptic-curve cryptography）的公鑰推導出私鑰；量子比特數量甚至可能只要 10,000 個可重新設定的原子量子比特即可。
Oratomic 的共同創辦人兼執行長 Dolev Bluvstein——目前是 Caltech 的物理學訪問副研究員（visiting associate）——表示，量子運算方面的進展正在加速走向實用機器的時間表，並提高遷移至抗量子加密（quantum-resistant cryptography）的壓力。
「人們已經習慣把量子電腦總是放在『還要 10 年』的距離之外，」Bluvstein 在接受 Decrypt 採訪時說。 「但當你回頭看看十多年前我們處在什麼位置時，當時人們對蕭爾演算法所需規模的最佳估計是：一次需要 10 億（one billion）個量子比特，而當時實驗室裡我們最好的系統大約只有 5 個量子比特。」

 目前最常見的錯誤更正系統，往往需要大約 1,000 個物理量子比特（physical qubits）才能生成一個單一可靠的邏輯量子比特（logical qubit）——用於執行計算的、經過錯誤更正的單位。這種額外開銷（overhead）已幫助把實用的容錯系統估計推向百萬量子比特（million-qubit）等級，從而拖慢朝向能夠運行可能威脅比特幣與以太坊所使用 RSA 與橢圓曲線加密的演算法之機器的進展。
Bluvstein 指出，目前的實驗室系統已經接近——而且在某些情況下甚至超過——6,000 個物理量子比特。換言之，加密所面臨的風險可能比專家先前預期的來得更早。
「你真的可以看出，隨著所需系統規模下降，系統規模與可控性會在時間推移中不斷提高，」他說。

在 9 月，加州理工學院的研究人員公布了一台運作中的中性原子量子電腦：具備 6,100 個量子比特，準確率達 99.98%，相干時間（coherence times）為 13 秒。這是朝向能夠進行錯誤更正的量子機器邁進的重要里程碑，也再次引發人們對未來可能被 Shor’s algorithm 威脅到比特幣的疑慮。
這項威脅促使各國政府與科技公司開始遷移至後量子加密（post-quantum cryptography），也就是為了能抵抗量子攻擊而設計的加密。研究者卻提醒，主要的工程挑戰仍然存在，包括在維持極低錯誤率的同時擴大量子系統規模。
「只要有 10,000 個物理量子比特，這件事一年內就可能發生，」Bluvstein 說。 「但那其實並不是人們所認為的『目標座標線（goalpost）』。這不像你在設計一台電腦時，把電晶體（transistors）放到晶片上、洗手、然後就說『好了完成』。要真正去做並建造出這樣一台機器，這是一項高度非平凡、極為複雜的任務。」
即便如此，Bluvstein 仍表示，一台實用的量子電腦可能在本十年結束前出現。
這則消息之所以引人關注，是因為同一天（週二）Google 的研究人員報告了新的發現，顯示未來的量子電腦或許能以比先前想像更少的資源破解橢圓曲線加密。這也讓外界要求在這類機器變得可行之前就轉向後量子加密的呼聲更為急迫。
儘管加密貨幣產業越來越開始關注量子風險，但 Bluvstein 表示，這種風險遠遠超出區塊鏈網路，並且需要改變現代數位世界的大量環節。
「我覺得是整個世界的數位基礎設施（digital infrastructure）。不只是區塊鏈而已。還有物聯網（internet of things）裝置、網路通訊、路由器、衛星，」他說。 「它涵蓋整個全球的數位基礎設施，而且事情很複雜。」