量子计算技术的迅猛发展为信息安全带来了全新的挑战，尤其是在加密货币领域，特别是比特币的安全性。比特币依赖于两大核心加密算法：椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）和SHA-256哈希算法。随着量子计算能力的提升，其理论能通过Shor算法破解ECDSA签名算法，并运用Grover算法加速SHA-256的挖矿过程。谷歌的研究进一步验证了这一威胁，强调了当前必须进行抗量子算法升级的紧迫性。
量子计算如何威胁比特币的安全性
比特币的安全性建立在其加密算法的坚实基础上，而量子计算的崛起则让这一依赖面临严峻挑战。以下是量子计算对比特币安全影响的两个主要方面：
- 破解ECDSA签名算法
比特币的地址生成和交易签名均依赖ECDSA算法。该算法的安全性主要基于椭圆曲线离散对数问题的计算复杂性。然而，量子计算的Shor算法可以在多项式时间内解决离散对数问题。谷歌量子研究的科学家Craig Gidney在2025年发表的研究指出，一台拥有不足百万个含噪量子比特的量子计算机，理论上能在一周内破解2048位RSA密钥。虽然ECDSA与RSA算法在数学原理上有所不同，但Shor算法同样能够破坏ECDSA所依赖的椭圆曲线密码学。这意味着，量子计算机能够通过公钥推导出私钥，从而伪造交易或篡改区块链数据。
- 加速SHA-256挖矿效率
比特币挖矿依赖SHA-256算法，矿工需要通过不断尝试哈希值来竞争记账权。量子计算中的Grover算法能够在平方根时间内进行无序搜索，显著提高哈希破解的速度。传统计算机在寻找符合挖矿条件的哈希值时需进行数以万亿次的尝试，而量子计算机利用Grover算法可以将尝试次数减少到平方根级别。虽然在现实应用中这种加速的效果可能并不明显，但若未来量子计算机的计算能力达到更高的水平，将可能破坏比特币网络的去中心化特性，从而引发更严重的安全问题。
谷歌研究揭示的量子计算破解路径
2025年5月，谷歌量子人工智能部门在arXiv上发表了一项研究，标题为《如何利用不足一百万个含噪量子比特分解2048位RSA整数》。该研究提供了量子计算破解加密算法的具体路径，以下是核心发现：
- 算法优化降低量子比特需求
研究通过“近似模幂运算”算法，将分解2048位RSA整数所需的逻辑量子比特数量，从2000万个减少至不足百万个。这一成果表明，算法优化能够显著提高量子计算的效率。例如，Gidney与Ekerå在2019年的研究中曾预测，需要2000万个含噪量子比特才能在8小时内完成对2048位RSA整数的因数分解，而此次研究将这一数量降低了20倍。
- 纠错技术提升量子比特利用率
该研究采用了“共轭表面码”和“魔态制备技术”，将闲置逻辑量子比特的存储密度提升了三倍，并缩减了特定量子操作的工作空间。通过双重纠错层，这些量子比特的错误率得以控制在0.1%以下，同时促进了表面码周期时间的缩短至1微秒。这些技术进步为量子计算机在执行复杂计算任务时的高效性奠定了基础。
- 硬件假设与实现挑战
在研究中假设量子计算机需以1微秒的表面码周期持续运行五天，而且门错误率需不超过0.1%。尽管这一性能水平超出当前技术，但IBM、Quantinuum等公司正在规划未来十年内实现相关目标。例如，IBM计划到2033年建成一台拥有10万量子比特的量子计算机，Quantinuum则计划在2029年前推出完备、完全容错的量子计算机。
应对量子计算威胁的措施
虽然当前的量子计算技术距离对比特币安全造成实际威胁尚有一段路程，但比特币社区及开发者已开始采取积极措施以应对挑战。其中包括：
- 升级现有加密算法，以增强其抵抗量子攻击的能力。
- 探索混合加密方案，将量子安全算法与传统算法结合，提高安全性。
- 应用量子密钥分发技术，保障数据在传输过程中的安全。
总的来看，随着量子计算的不断进步，如何保护比特币及其他基于加密算法的系统将成为一个亟需解决的问题。只有通过不断的技术更新与防护措施，才能确保这些系统在未来的安全性。
