从量子计算到区块链：前沿、趋势和挑战

本文为量子计算与区块链广州论坛纪实。

2019年11月30日，“量子信息与区块链技术”广州论坛在华南理工大学成功召开。本次论坛由数字资产研究院学术与技术委员会主任朱嘉明教授发起，数字资产研究院与华南理工大学自动化科学与工程学院联合主办，华南理工大学教授崔巍担任会议召集人。

本次论坛在众多量子科学研究领域进行了专题研讨，包括：量子安全直接通信与算法、量子霸权的现状、超导量子计算研究基础及其前沿、量子生成对抗网络、量子化学模拟及量子计算云平台、混合量子计算和量子信息网络前沿、实用量子保密查询协议研究、量子思维与区块链思维的碰撞、量子计算与区块链技术、区块链技术及应用实践、量子计算阴影下的区块链、基于零知识证明的原子交换研究、区块链隐私保护等。

 

《量子计算与区块链》

朱嘉明

数字资产研究院院长

朱嘉明发表了题为《量子计算与区块链》的开幕致辞。他指出，我们正身处在科技主导经济发展和社会转型的时代。科学集群和技术混合的不断成长造成了“技术奇点”的逼近，其背后动力很可能来源于“量子计算”。特别是，2019年Google宣布的“量子霸权”，将会对2020年代产生不可低估的影响。他指出，这一切的源头，可以追溯到20世纪的三场会议，即1900年在巴黎举办的第二届国际数学家大会、1927年在布鲁塞尔举办的第五届索尔维会议和1947年在纽约举办的梅西会议。他还指出，“20世纪真正对人类历史具有持续和深刻影响的是形成了复杂和系统的科学体系。过去一百余年工业化的扩张和发展，为科学技术的应用和创新提供前所未有的巨大场景。如今，科学技术本身正在变成场景。所有的传统产业，包括我们人类自身，都纳入其中。如果说，自13-16世纪的文艺复兴时代是人文艺术带动现代自然科学的诞生，进而触发由工业家、企业家、银行家主导的工业革命时代；那么，自20世纪开始，则是科学技术革命引领改变、引领人文精神和观念，是数学家、物理学家和生物学家群体创造信息和数字经济的时代。我们正处于这样两个时代的交汇点。”最后，他以三个科学家的三句话作为总结：“我们必须知道，我们必将知道（希尔伯特）；如果谁不曾对量子论感到震惊，他就根本没有理解（玻尔）；科学并非难事（冯诺伊曼）”

 

《量子安全直接通信与算法》

龙桂鲁 教授

清华大学，国家杰青

龙桂鲁发表了题为《量子安全直接通信与算法》的主题发言。19年前的今天，龙桂鲁提出了量子直接通信理论，是国际上三种最主要的量子保密通信理论之一。传统保密通信框图分为密钥分发通道和密文通信通道，量子安全直接通信则无需秘钥，改变了保密通信的框图。龙桂鲁对该理论进行详细的解读，并介绍了其团队研制的国际上第一台有使用价值的样机，证明量子直接通信能提高量子通信整体的安全和价值。同时，龙桂鲁介绍了基于个人研究成果的量子精确搜索算法和对偶量子计算方法，包括如何基于相位匹配完成精确的量子搜索，龙算法如何实现将量子算法中两个最重要算法之一的Grover算法做到最好，对偶量子计算形式如何应用于制备可编程量子芯片，以及国际上构造量子算法的五种重要方法之一的酉算子线性组合方法等。最后，龙桂鲁介绍了核磁共振量子计算实验。

 

《二次量子科技革命——量子霸权已经降临？》

张庆瑞 教授

台湾大学特聘教授，IEEE Fellow， 俄罗斯工程院院士

张庆瑞发表了题为《二次量子科技革命——量子霸权已经降临？》的主题演讲。他指出，19世纪末，人们观察到量子世界，提出量子力学理论，颠覆了古典物理世界。第一次量子革命造成电子学与经典电脑盛行到现在。虽然超级电脑越来越快，但仍有瓶颈。遵守摩尔定律的电晶体尺寸，已经快到极限；平行化计算也快达饱和；最重要的是，超级电脑越来越耗能、成本越来越高。第二次量子革命也因而展开序幕而量子电脑将是目前瓶颈的解药。量子电脑的单位是量子位元，主要应用了两个特性：叠加态和纠缠态。根据这两个特性，一个古典位元的0和1只能描述布洛赫球面（Bloch ball）的北极和南极，但是量子位元不只描述两个点，而是一次就描述布洛赫球面上所有点。四个量子位元，不是指四个布洛赫球，而是四个布洛赫球共同提供的2^4的平行空间，一次就表达了2的四次方所有的可能性。所以量子电脑可以同时做2^4个平行处理。不过量子演算法必须在量子电脑这个黑盒子里进行，中间过程要让它自动发展，不能偷看，一旦偷看（在量子世界中称为量测），就会回到古典世界。这个黑盒子内的量子过程称为神谕（Oracle）。最后，他再次强调，未来属于量子，而且不只是电脑，感应器、通讯器等都将量子化。

 

《超导量子计算研究基础及前沿》

刘玉玺 教授

清华大学，国家杰青

刘玉玺发表了题为《超导量子计算研究基础及前沿》的演讲。他系统介绍了为什么要做量子计算，什么是量子计算，以及超导量子计算主要的组件。刘玉玺结合超导量子计算的发展史，介绍了自己的主要工作，以及现阶段的主要进展。最后，刘玉玺对量子计算未来需要解决的关键问题和发展提出了一些看法。

 

《量子生成对抗网络》

李绿周 教授

中山大学

李绿周发表了题为《量子生成对抗网络》的演讲。他指出，探寻量子优势是量子计算研究的核心问题之一。量子计算机相对于经典计算机在哪些方面有优势？有多大程度的优势？这些问题都需要深入研究。量子计算的优势可以从时间复杂度、查询复杂度、通信复杂度、电路深度复杂度等侧面进行定性和定量的研究，而这些研究都离不开量子算法设计。在某种意义上可以说，量子算法是量子计算的灵魂。只有当物理实现研究和包括量子算法在内的软件研究得到并行发展的时候，量子计算才能成为一个有血有肉的整体。接着，他介绍了量子算法简明进程，指出当前已经进入到了面向大数据环境的量子算法。进而，他讲解了近年来量子计算与机器学习的交叉研究，以及量子机器学习如何体现量子优势。最后，他介绍了基于变分量子电路提出量子生产对抗网络模型的个人工作。

 

《量子化学模拟及华为量子计算云平台 HiQ 介绍》

邬兴尧 博士

华为高级研究员

邬兴尧在会上作了题为《量子化学模拟及华为量子计算云平台 HiQ 介绍》的主题演讲。他指出含噪声的中等规模的量子设备（NISQ）是近期研究的热点，主要考虑的是50-100个物理量子比特的量子设备。其中，如何利用NISQ设备实现量子优势是该领域的一大焦点。NISQ设备的应用包含随机采样、组合优化、量子模拟等多种问题。在演讲中，他主要介绍了NISQ设备在量子化学模拟中的应用，和通过量子经典混合算法（Variational Quantum Eigensolver），优化得到分子的基态能量，并展示了华为HiQ量子云平台上对于业界最大规模分子的模拟（14个分子空间轨道）。在演讲后半部分，还介绍了华为HiQ 2.0的升级特性，包含支持量子化学模拟的HiQ Fermion模块，支持在线量子调控设计的HiQ Pulse模块，以及对于HiQ模拟器和编程框架的升级。

 

《混合量子计算和量子信息网络前沿》

项泽亮 教授

中山大学，青年千人

项泽亮发表了题为《混合量子计算和量子信息网络前沿》的主题演讲。他介绍了在量子计算还未完全成熟、通用量子计算机还未有突破性进展的当前阶段，和混合系统相关的且具有广泛研究和应用前景的若干研究方向。他首先介绍了将初步的专用量子计算机和经典计算机进行结合的混合量子计算，指出其在现阶段具有较强的可行性和很好的应用价值。同理，量子计算的后备物理系统有很多，但各有优缺点。因此集各所长，构建新型混合量子系统，衍生新的量子技术也成为了量子计算接下来需要发展的方向。再者，基于混合系统将量子计算节点进行有效连接进而构建量子信息网络，也是未来进行大规模量子信息传递及协同计算的必备基础。

 

《实用量子保密查询协议研究进展》

高飞 教授

北京邮电大学，教育部青年长江学者

高飞发表了题为《实用量子保密查询协议研究进展》的主题演讲。他指出，人们已经提出了多种量子密码协议，但受当前量子调控技术所限，真正实用的协议还很匮乏。量子保密查询可以看作是适当放宽了安全性需求的N传1不经意传输。该类协议只要使用与量子密钥分配类似的技术即可实现，具有很强的实用潜力，一经提出就引起了广泛关注。最后，高飞简单介绍了量子密码的研究背景和发展现状，量子保密查询协议在走向实用过程中所面临的若干理论问题，和相应的研究进展。

 

《猫与妖之对话——量子思维与区块链思维的碰撞》

邹均 博士

运通链达金服科技有限公司CEO

邹均发表了题为《猫与妖之对话——量子思维与区块链思维的碰撞》的主题演讲。他从哲学层面剖析了量子计算和区块链的特点，把量子计算比作“薛定谔的猫”，把区块链比作“麦克斯韦妖”。之后，详细解释了量子qubit的定义，量子门实现及仿真和在IBM量子云上的实测结果。他还从理论到实践层面介绍了量子计算的原理，以及Shor和Grover两种常用的量子计算算法及其特性。最后，他对抗量子加密算法进行了探讨，提出量子计算为区块链带来的四类可能的改进：量子随机性使区块链告别伪随机数，量子纠缠帮助密钥分发，未知量子态不可克隆性，量子隐形传态。

《量子计算与区块链》

李志锋 博士

量子猫科学馆负责人

李志峰发表了题为《量子计算与区块链》的演讲。他介绍了量子计算的基础知识，量子计算机的威力，量子计算机的技术方向和最新进展。并对各国就量子技术发布的相关政策，世界范围内各高校的研究情况进行了普查性质的报告。此外，他基于区块链的技术特性、密码安全和信息安全，分析了量子计算对传统加密算法带来的威胁，提出区块链在量子计算时代的加密保护措施。最后，他介绍了量子区块链的研究进展，以及如何最终实现在量子计算环境下安全的区块链。

 

《区块链技术及应用实践》

余向阳 教授

中山大学，广州致链科技有限公司首席科学家

余向阳发表了题为《区块链技术及应用实践》的主题演讲。他提出，当前的数据特性，正在实现多维采集、不断融合的特点，需要利用区块链特性，建立智能互证数据处理系统，从而完成区块链思维模式下的数据逻辑。之后，他介绍了区块链当前的技术基础、技术特性和应用模式，以及区块链技术解决方案的案例，包括区块链浏览器、可信智能物联平台、数据篡改监控平台、Baas平台架构和实现等。最后，余向阳仔细讲解了区块链与物联网融合的模式和技术创新，特别是如何在无须改变现有IoT架构和特征的前提下，实现与区块链技术融合。他以区块链微型智能光谱仪作为案例做了具体的分析和讲解。

 

《量子计算阴影下的区块链》

郭宇 博士

安比实验室创始人

郭宇发表了题为《量子计算阴影下的区块链》的主题演讲，核心分析了在量子霸权的逐渐实现情况下，区块链技术是否还能够保障安全的问题。他提出并讨论了若干种针对区块链安全问题的量子攻击设想、模式和可行性计算。首先，是针对“ POW 挖矿”的量子攻击模式。他在设定实际条件的情况下，对比了结合Grover 算法的量子计算SHA256的速度和经典ASIC矿机计算SHA256的速度，同时分别讨论了分叉长程攻击、伪造区块攻击、生日算法攻击三种攻击手段下，量子计算对“ POW 挖矿”的影响。结论是，比特币的 PoW 共识受量子计算影响有限 。其次，是针对“数字签名的量子攻击安全假设：椭圆曲线离散对数问题（ECDLP）”。他提出，结合shor算法的量子计算，可以较为容易的从公钥破解私钥，这是经典计算难以做到的。结合生日攻击的量子计算，不那么容易从地址破解公钥，但对于经典计算而言，更为困难。可以说，中本聪采用比特币地址的设计，具有抵抗量子计算的先见之明。但是，比特币的支付模式中，早期的公钥是暴露在区块链上的，大约有 1/3 的比特币，公钥已暴露，包括中本聪遗产。接着，他分析了量子计算机可以发起比特币致命攻击的时间问题。最乐观的预测下，到2027年，量子攻击时间将缩短到30分钟。除了比特币，以太坊和Libra都处于量子攻击的高度危险的状态。最后，他展望了后量子时代的区块链技术的发展，包括内存复杂 PoW 算法、类 BFT 共识协议 + 格密码学等。

 

《基于零知识证明的原子交换研究》

曹岭 副教授

重庆邮电大学

曹岭发表了题为《基于零知识证明的原子交换研究》的主题演讲。他从研究背景与意义、研究现状和研究内容三个方面为与会者阐述了当前此方面研究的情况。他指出，基于比特币的基础加密原理电子现金尝试在比特币出现之前已经出现。比特币的本质是信任制造机，其内涵包括共享账本、智能合约、隐私保护和共识机制。最后，他重点介绍了四种区块链跨链技术之一的原子交换，以及如何将零知识证明运用在原子交换的过程中，并实现匿名交易，以保护交易双方的隐私安全。

 

《区块链隐私保护》

万志国 教授

山东大学

万志国发表了题为《区块链隐私保护》的主题演讲。他首先解释了何为隐私和隐私权，以及隐私保护所面临的现实困境。之后，将基于区块链的隐私保护做出分类，分为小隐、中隐和大隐。他指出，零知识证明是真正的大隐的区块链隐私保护技术，其应用实例从账户模型到门限、车联网、数据分享和供应链金融都有发展。最后，他重点介绍了零知识证明，分析了零知识证明的功能、可验证计算、效率等。并且，他详细介绍了Zk-SNARK的范例，以及零知识证明的应用案例，强调2019年的区块链就相当于2000年的互联网，并且零知识证明将成为研究重点。

 

《总结》

朱嘉明

数字资产研究院院长

朱嘉明发表了总结讲话。他指出，在今天关于量子科学与技术的讨论背后，其实仍旧是1927年爱因斯坦与波尔的争论的著名问题：上帝是否掷骰子的问题。我们设想一个场景：如果爱因斯坦、波尔和普朗克活到今天，他们参加今天的讨论会，哪些是在他们完全意料之中的，哪些是在他们意料之外的？在如何看待宇宙的规律和决定论，在“上帝是否掷骰子”问题上，是否依然分成两个“阵营”？

朱嘉明说：如果这样的场景真的发生，他们最终很可能会在以下几个问题上 “求同存异”，形成一定的共识：（1）1920年代奠定的量子力学的原理和框架没有过时；（2）量子力学已经推动量子化学和量子生物学等交叉学科的产生与发展；（3）在一百年之后，人类终于走近，甚至进入到“量子时代”，数字经济时代不过是量子经济时代的一种比较初级的形态；（4）量子时代的重要标志就是从量子科学技术到应用的全方位突破，而且形成了R&D链条；（5）量子科学与技术已经开始产业化和商业化的互动：（6）世界正在悄然进入量子竞争时代，世界主要经济体开始设计“量子时代”战略，并将国家利益和地缘政治的因素注入“量子时代”战略：（7）Google对“量子霸权”的定义已经开启了日益激烈的量子霸权争夺战的序幕；（8）量子科学的“通识教育”迫在眉睫。

关于量子计算和“区块链”的关系是一个值得深入探讨的课题。如果承认“区块链”首先是科学，其次是技术，那么，在量子计算和区块链之间很可能存在某种基因和染色体的联系？今天已经没有办法把这个问题详细讨论，但有一点可以肯定，就是“量子区块链”的概念很可能是成立的，甚至是值得探讨的主要方向。朱嘉明称，他倾向这样的立场：量子技术和量子科学的发展不是在摧毁或者动摇“区块链”的整个结构和体系，而是可能在很大程度上为“区块链”提供新的技术元素，将其改造成基于量子科学的一种新的技术体系。

最后，朱嘉明指出，可以发现至少在过去半个世纪里，特别在过去一、二十年里，所有重大的科学技术思想和技术，计算机、基于芯片的摩尔定律、互联网、大数据、云计算、智能手机、人工智能、虚拟世界、区块链的出现，都像被一个神秘的力量安排好的，几乎每过一段时间就推出新东西，非常有规则，非常有节奏，近似于“宏观拼图”。是不是可以说，到今天为止，该出来的都出来了，该上场的都上场了，该启示的都启示了。如果是这样，我们需要整体思考我们处于的科学结构，包括今天会议的主题。当然，我们现在还难以真正理解，甚至感觉和意识到我们这个世界最深层的改变，特别是日益逼近的从思想到科学的“范式”变革，以及经济和社会的制度性转型的内涵。所以，我们需要以一个非常谦卑的、庄严的精神和态度面对未来。