以下文章來(lái)源于光子盒 ，作者光子盒研究院

導(dǎo)讀：本文基于國(guó)際貨幣基金組織(IMF)第21/71號(hào)工作文件《量子計(jì)算與金融系統(tǒng)：遠(yuǎn)距離的幽靈行動(dòng)？》

古希臘的士兵會(huì)用一條羊皮紙包住一根棍子，然后在上面寫字，從而傳遞秘密信息。只有擁有相同粗細(xì)棍子的人才能破譯這些信息。這是密碼學(xué)最早的例子之一。如今的秘密信息，如互聯(lián)網(wǎng)通信、數(shù)字銀行和電子商務(wù)，都受到強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)算法的保護(hù)，免受窺探。然而，這些今天無(wú)法破譯的密碼可能很快成為歷史。

量子計(jì)算機(jī)可以達(dá)到一種優(yōu)化水平，在比使用傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)生成加密密鑰更短的時(shí)間內(nèi)破解當(dāng)今的許多加密密鑰。金融機(jī)構(gòu)必須立即驗(yàn)證其網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)能否在未來(lái)可用。否則，將危及金融穩(wěn)定。

量子計(jì)算利用量子現(xiàn)象如疊加和糾纏來(lái)進(jìn)行計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)的基本單位是量子比特。它通常是通過(guò)亞原子粒子的量子特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如電子的自旋或光子的偏振。今天的數(shù)字計(jì)算機(jī)中使用的每一個(gè)二進(jìn)制比特表示0或1的值，而量子比特同時(shí)表示0和1(或兩者的某種組合)。這種現(xiàn)象稱為疊加。量子糾纏是量子元素對(duì)或組之間的一種特殊連接。改變一個(gè)元素的狀態(tài)會(huì)立即影響其他糾纏元素，而不論它們之間的距離如何。

增加量子比特的數(shù)量會(huì)使計(jì)算處理速度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。匹配單個(gè)量子比特的能力需要2個(gè)經(jīng)典二進(jìn)制比特；匹配2個(gè)量子比特需要4比特；匹配3個(gè)量子比特需要匹配8比特；以此類推。建模一臺(tái)54個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，需要18萬(wàn)億比特的經(jīng)典內(nèi)存。一臺(tái)100量子比特的量子計(jì)算機(jī)需要的比特?cái)?shù)將超過(guò)地球上的原子數(shù)。一臺(tái)280量子比特的計(jì)算機(jī)需要的比特?cái)?shù)比已知宇宙中的原子數(shù)還要多。

量子計(jì)算機(jī)有潛力大規(guī)模超越遵循經(jīng)典物理定律的數(shù)字計(jì)算機(jī)。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家William Phillips將當(dāng)今技術(shù)向量子的飛躍與算盤向數(shù)字計(jì)算機(jī)的飛躍進(jìn)行了比較。兩年前，所謂的量子優(yōu)勢(shì)或量子“霸權(quán)”還只是一種理論。然而，2019年，谷歌使用量子計(jì)算機(jī)在200秒內(nèi)完成了一項(xiàng)特定的計(jì)算任務(wù)。該公司表示，同樣的任務(wù)由當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的數(shù)字超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)做，將花費(fèi)10000年。目前中國(guó)的66比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之號(hào)”已經(jīng)超越了谷歌。

復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)就像在迷宮中尋找出路。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)會(huì)試圖按順序搜尋每一條路徑來(lái)逃跑，直到找到出口。相比之下，疊加允許量子計(jì)算機(jī)同時(shí)嘗試搜尋所有路徑。這大大縮短了找到解決方案的時(shí)間。

通過(guò)以比數(shù)字計(jì)算機(jī)更高的精度和速度解決問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)有可能加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，革新金融市場(chǎng)建模和模擬，并增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能。它們可以用來(lái)模擬亞原子粒子、分子相互作用和化學(xué)反應(yīng)。這將徹底改變化學(xué)工程和材料科學(xué)，并允許設(shè)計(jì)新材料，如固態(tài)電池。量子計(jì)算機(jī)還可以幫助我們了解氣候變化。

量子計(jì)算機(jī)也可以改變金融系統(tǒng)。它可以幾乎實(shí)時(shí)地進(jìn)行更精確的蒙特卡羅模擬(通過(guò)定價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)模擬來(lái)預(yù)測(cè)市場(chǎng)行為)。沒(méi)有必要用不切實(shí)際的假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化這些模型。量子計(jì)算機(jī)還可以在數(shù)字計(jì)算機(jī)所需時(shí)間的一小部分內(nèi)解決優(yōu)化任務(wù)，如分配資本、確定投資組合或管理ATM網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)金。量子計(jì)算機(jī)還可以加速機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練。隨著每個(gè)維度的增加，數(shù)字計(jì)算機(jī)完成這項(xiàng)工作所需的時(shí)間呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。量子計(jì)算機(jī)則不然。

然而，量子計(jì)算也帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。這些強(qiáng)大的量子機(jī)器的計(jì)算能力可能威脅到現(xiàn)代密碼技術(shù)。這對(duì)金融穩(wěn)定和隱私有著深遠(yuǎn)的影響。今天的密碼技術(shù)基于三種主要的算法：對(duì)稱密鑰、非對(duì)稱密鑰(也稱為公鑰)和Hash(散列)函數(shù)。對(duì)于對(duì)稱密鑰，相同的密鑰用于加密和解密消息。非對(duì)稱加密使用一對(duì)相關(guān)密鑰(一個(gè)私有密鑰，另一個(gè)公共密鑰)。一個(gè)密鑰加密的消息只能由對(duì)應(yīng)的密鑰解密。這些算法廣泛用于數(shù)字認(rèn)證、數(shù)字簽名和數(shù)據(jù)安全等。Hash函數(shù)將數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為固定大小的唯一字節(jié)集。它們用于安全地存儲(chǔ)密碼并支持?jǐn)?shù)字身份。

這些加密算法基本上成功地保護(hù)了數(shù)據(jù)。即使是今天最先進(jìn)的數(shù)字超級(jí)計(jì)算機(jī)和密碼分析技術(shù)也無(wú)法足夠快地破解它們。然而，量子計(jì)算機(jī)超越數(shù)字超級(jí)計(jì)算機(jī)，能夠以指數(shù)級(jí)的速度解決數(shù)學(xué)難題。這將使非對(duì)稱加密過(guò)時(shí)，并削弱其他加密密鑰和散列。理論上，一臺(tái)功能完備的量子計(jì)算機(jī)可以在幾分鐘內(nèi)破解一個(gè)非對(duì)稱密鑰。公鑰特別容易受到攻擊，因?yàn)榇蠖鄶?shù)公鑰都基于因式分解問(wèn)題：數(shù)字計(jì)算機(jī)很難從其乘積中找到兩個(gè)素?cái)?shù)。相比之下，量子計(jì)算機(jī)可以毫不費(fèi)力地做到這一點(diǎn)。

非對(duì)稱密鑰被廣泛用于保護(hù)互聯(lián)網(wǎng)上的通信安全。對(duì)這些算法的成功攻擊將危及金融系統(tǒng)使用的連接，包括移動(dòng)銀行、電子商務(wù)、支付交易、ATM取款和VPN通信等。依賴公鑰加密且易受攻擊的應(yīng)用程序還包括流行的數(shù)字資產(chǎn)，如比特幣和以太坊，以及受密碼保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。這些協(xié)議中最著名的是HTTPS，世界100強(qiáng)網(wǎng)站中有97個(gè)使用了HTTPS。

對(duì)于某些應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在可能已經(jīng)太晚了。任何今天被認(rèn)為是安全的信息都可以被捕獲和存儲(chǔ)，一旦足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)誕生，它們將被破譯。事實(shí)上，今天發(fā)送和存儲(chǔ)的任何加密的個(gè)人或金融信息都可以被一臺(tái)功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)追溯破譯。大多數(shù)金融機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)尚未對(duì)這些新風(fēng)險(xiǎn)保持警惕。

雖然量子計(jì)算對(duì)互聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)成了威脅，但量子力學(xué)也可以提供牢不可破的密碼學(xué)。在20世紀(jì)80年代，IBM的研究人員提出了一種利用光子偏振來(lái)進(jìn)行密鑰分發(fā)的新方法。通過(guò)使用物理定律，量子密鑰分發(fā)(QKD)可能變得不可破解，因?yàn)楦`聽(tīng)者不能在不干擾通信的情況下竊取信息。

目前，實(shí)驗(yàn)已證實(shí)了QKD對(duì)遠(yuǎn)程安全通信的可行性。此外，數(shù)據(jù)可以通過(guò)量子衛(wèi)星在空間中進(jìn)行無(wú)線傳輸。中國(guó)科學(xué)家能夠利用2016年發(fā)射的量子衛(wèi)星在濟(jì)南移動(dòng)地面站和上海固定地面站之間傳輸數(shù)據(jù)。中國(guó)工商銀行和中國(guó)人民銀行正在使用基于衛(wèi)星的QKD在城市之間進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息交換，例如實(shí)現(xiàn)在北京和烏魯木齊之間的量子保密通信。

但由于追溯性風(fēng)險(xiǎn)，金融機(jī)構(gòu)采取措施的窗口期很短，必須立即為加密過(guò)渡做好準(zhǔn)備。他們應(yīng)該從評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的追溯性和未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)始，包括可能已經(jīng)捕獲并可以在幾年后利用的信息。然后，金融機(jī)構(gòu)應(yīng)該制定系統(tǒng)升級(jí)的相關(guān)計(jì)劃。

國(guó)際貨幣基金組織在提高其成員國(guó)對(duì)量子計(jì)算機(jī)對(duì)金融穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)以及促進(jìn)量子安全標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐方面發(fā)揮著重要作用。今天的量子計(jì)算機(jī)非常敏感。任何環(huán)境干擾，如熱、光或振動(dòng)，都會(huì)將量子比特的量子態(tài)破壞，變成普通的經(jīng)典比特。這會(huì)產(chǎn)生計(jì)算錯(cuò)誤。盡管如此，計(jì)算錯(cuò)誤更少、能夠破解代碼的機(jī)器也離我們不遠(yuǎn)了。金融機(jī)構(gòu)應(yīng)該在為時(shí)已晚之前認(rèn)識(shí)到風(fēng)險(xiǎn)并確保其系統(tǒng)的安全。畢竟，歷史上充滿了被新技術(shù)破解的所謂牢不可破的密碼的警示故事。

報(bào)告免費(fèi)下載：

https://www.imf.org/en/Publications/WP/Issues/2021/03/12/Quantum-Computing-and-the-Financial-System-Spooky-Action-at-a-Distance-50159

黨建引領(lǐng)│國(guó)盾量子與山東公司黨支部共同開(kāi)展支部學(xué)習(xí)

交流互動(dòng)│南方科技大學(xué)俞大鵬院士赴國(guó)盾量子參觀調(diào)研

從幕后到臺(tái)前 | 國(guó)盾量子和進(jìn)博會(huì)的故事