朱嘉明與 14 名量子信息科學家與區塊鏈技術專家,在華南理工大學探討量子計算對前沿研究,以及與區塊鏈結合所發揮的技術革命潛力。

朱嘉明認爲,量子技術和量子科學的發展不是在摧毀或者動搖「區塊鏈」的整個結構和體系,而是可能在很大程度上爲「區塊鏈」提供新的技術元素,將其改造成基於量子科學的一種新的技術體系。

原文標題:《從量子計算到區塊鏈:前沿、趨勢和挑戰》
作者:CIDA

2019 年 11 月 30 日,「量子信息與區塊鏈技術」廣州論壇在華南理工大學召開。本次論壇由數字資產研究院學術與技術委員會主任朱嘉明教授發起,數字資產研究院與華南理工大學自動化科學與工程學院聯合主辦,華南理工大學教授崔巍擔任會議召集人。

本次論壇邀請了量子信息諸多領域的科學家、區塊鏈技術專家和產業界代表與會發言,包括:清華大學龍桂魯教授、臺灣大學張慶瑞教授、清華大學劉玉璽教授、中山大學李綠周教授、華爲高級研究員鄔興堯博士、中山大學項澤亮教授、北京郵電大學高飛教授、安比實驗室郭宇教授、重慶郵電大學曹嶺教授、山東大學萬志國教授、運通鏈達金服科技有限公司鄒均博士、量子貓科學館李志峯博士、廣州致鏈科技有限公司首席科學家餘向陽教授等。

數字資產研究院學術與技術委員會主任朱嘉明、華南理工大學自動化科學與工程學院院長李遠清和鴻海集團董事長劉揚偉發表了開幕致辭。數十位來自全國各地的高等院校、科研院所和企事業單位的代表參會。

本次論壇在衆多量子科學研究領域進行了專題研討,包括:量子安全直接通信與算法、量子霸權的現狀、超導量子計算研究基礎及其前沿、量子生成對抗網絡、量子化學模擬及量子計算雲平臺、混合量子計算和量子信息網絡前沿、實用量子保密查詢協議研究、量子思維與區塊鏈思維的碰撞、量子計算與區塊鏈技術、區塊鏈技術及應用實踐、量子計算陰影下的區塊鏈、基於零知識證明的原子交換研究、區塊鏈隱私保護等。

本次論壇正式發起籌建「量子信息與區塊鏈技術智庫中心」。發起單位包括:數字資產研究院、鴻海科技集團、清華大學物理系、華南理工大學自動化科學與工程學院、臺灣中原大學量子計算中心和運通鏈達金服科技有限公司,崔巍教授擔任該中心籌備組主任。

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

《量子計算與區塊鏈》

朱嘉明,數字資產研究院院長

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

朱嘉明發表了題爲《量子計算與區塊鏈》的開幕致辭。他指出,我們正身處在科技主導經濟發展和社會轉型的時代。科學集羣和技術混合的不斷成長造成了「技術奇點」的逼近,其背後動力很可能來源於「量子計算」。特別是,2019 年 Google 宣佈的「量子霸權」,將會對 2020 年代產生不可低估的影響。他指出,這一切的源頭,可以追溯到 20 世紀的三場會議,即 1900 年在巴黎舉辦的第二屆國際數學家大會、1927 年在布魯塞爾舉辦的第五屆索爾維會議和 1947 年在紐約舉辦的梅西會議。

他還指出,「20 世紀真正對人類歷史具有持續和深刻影響的是形成了複雜和系統的科學體系。過去一百餘年工業化的擴張和發展,爲科學技術的應用和創新提供前所未有的巨大場景。如今,科學技術本身正在變成場景。所有的傳統產業,包括我們人類自身,都納入其中。如果說,自 13-16 世紀的文藝復興時代是人文藝術帶動現代自然科學的誕生,進而觸發由工業家、企業家、銀行家主導的工業革命時代;那麼,自 20 世紀開始,則是科學技術革命引領改變、引領人文精神和觀念,是數學家、物理學家和生物學家羣體創造信息和數字經濟的時代。我們正處於這樣兩個時代的交匯點。」最後,他以三個科學家的三句話作爲總結:「我們必須知道,我們必將知道(希爾伯特);如果誰不曾對量子論感到震驚,他就根本沒有理解(玻爾);科學並非難事(馮諾伊曼)」

《量子安全直接通信與算法》

龍桂魯 教授,清華大學,國家傑青

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

龍桂魯發表了題爲《量子安全直接通信與算法》的主題發言。19 年前的今天,龍桂魯提出了量子直接通信理論,是國際上三種最主要的量子保密通信理論之一。傳統保密通信框圖分爲密鑰分發通道和密文通信通道,量子安全直接通信則無需祕鑰,改變了保密通信的框圖。龍桂魯對該理論進行詳細的解讀,並介紹了其團隊研製的國際上第一臺有使用價值的樣機,證明量子直接通信能提高量子通信整體的安全和價值。

同時,龍桂魯介紹了基於個人研究成果的量子精確搜索算法和對偶量子計算方法,包括如何基於相位匹配完成精確的量子搜索,龍算法如何實現將量子算法中兩個最重要算法之一的 Grover 算法做到最好,對偶量子計算形式如何應用於製備可編程量子芯片,以及國際上構造量子算法的五種重要方法之一的酉算子線性組合方法等。最後,龍桂魯介紹了核磁共振量子計算實驗。

《二次量子科技革命——量子霸權已經降臨?》

張慶瑞 教授,臺灣大學特聘教授,IEEE Fellow, 俄羅斯工程院院士

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

張慶瑞發表了題爲《二次量子科技革命——量子霸權已經降臨?》的主題演講。他指出,19 世紀末,人們觀察到量子世界,提出量子力學理論,顛覆了古典物理世界。第一次量子革命造成電子學與經典電腦盛行到現在。雖然超級電腦越來越快,但仍有瓶頸。遵守摩爾定律的電晶體尺寸,已經快到極限;平行化計算也快達飽和;最重要的是,超級電腦越來越耗能、成本越來越高。第二次量子革命也因而展開序幕而量子電腦將是目前瓶頸的解藥。

量子電腦的單位是量子位元,主要應用了兩個特性:疊加態和糾纏態。根據這兩個特性,一個古典位元的 0 和 1 只能描述布洛赫球面(Bloch ball)的北極和南極,但是量子位元不只描述兩個點,而是一次就描述布洛赫球面上所有點。四個量子位元,不是指四個布洛赫球,而是四個布洛赫球共同提供的 2^4 的平行空間,一次就表達了 2 的四次方所有的可能性。所以量子電腦可以同時做 2^4 個平行處理。不過量子演算法必須在量子電腦這個黑盒子裏進行,中間過程要讓它自動發展,不能偷看,一旦偷看(在量子世界中稱爲量測),就會回到古典世界。這個黑盒子內的量子過程稱爲神諭(Oracle)。最後,他再次強調,未來屬於量子,而且不只是電腦,感應器、通訊器等都將量子化。

《超導量子計算研究基礎及前沿》

劉玉璽 教授清華大學,國家傑青

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

劉玉璽發表了題爲《超導量子計算研究基礎及前沿》的演講。他系統介紹了爲什麼要做量子計算,什麼是量子計算,以及超導量子計算主要的組件。劉玉璽結合超導量子計算的發展史,介紹了自己的主要工作,以及現階段的主要進展。最後,劉玉璽對量子計算未來需要解決的關鍵問題和發展提出了一些看法。

《量子生成對抗網絡》

李綠周 教授,中山大學

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李綠周發表了題爲《量子生成對抗網絡》的演講。他指出,探尋量子優勢是量子計算研究的核心問題之一。量子計算機相對於經典計算機在哪些方面有優勢?有多大程度的優勢?這些問題都需要深入研究。量子計算的優勢可以從時間複雜度、查詢複雜度、通信複雜度、電路深度複雜度等側面進行定性和定量的研究,而這些研究都離不開量子算法設計。

在某種意義上可以說,量子算法是量子計算的靈魂。只有當物理實現研究和包括量子算法在內的軟件研究得到並行發展的時候,量子計算才能成爲一個有血有肉的整體。接着,他介紹了量子算法簡明進程,指出當前已經進入到了面向大數據環境的量子算法。進而,他講解了近年來量子計算與機器學習的交叉研究,以及量子機器學習如何體現量子優勢。最後,他介紹了基於變分量子電路提出量子生產對抗網絡模型的個人工作。

《量子化學模擬及華爲量子計算雲平臺 HiQ 介紹》

鄔興堯 博士,華爲高級研究員

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鄔興堯在會上作了題爲《量子化學模擬及華爲量子計算雲平臺 HiQ 介紹》的主題演講。他指出含噪聲的中等規模的量子設備(NISQ)是近期研究的熱點,主要考慮的是 50-100 個物理量子比特的量子設備。其中,如何利用 NISQ 設備實現量子優勢是該領域的一大焦點。NISQ 設備的應用包含隨機採樣、組合優化、量子模擬等多種問題。

在演講中,他主要介紹了 NISQ 設備在量子化學模擬中的應用,和通過量子經典混合算法(Variational Quantum Eigensolver),優化得到分子的基態能量,並展示了華爲 HiQ 量子云平臺上對於業界最大規模分子的模擬(14 個分子空間軌道)。在演講後半部分,還介紹了華爲 HiQ 2.0 的升級特性,包含支持量子化學模擬的 HiQ Fermion 模塊,支持在線量子調控設計的 HiQ Pulse 模塊,以及對於 HiQ 模擬器和編程框架的升級。

《混合量子計算和量子信息網絡前沿》

項澤亮 教授,中山大學,青年千人

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

項澤亮發表了題爲《混合量子計算和量子信息網絡前沿》的主題演講。他介紹了在量子計算還未完全成熟、通用量子計算機還未有突破性進展的當前階段,和混合系統相關的且具有廣泛研究和應用前景的若干研究方向。他首先介紹了將初步的專用量子計算機和經典計算機進行結合的混合量子計算,指出其在現階段具有較強的可行性和很好的應用價值。同理,量子計算的後備物理系統有很多,但各有優缺點。因此集各所長,構建新型混合量子系統,衍生新的量子技術也成爲了量子計算接下來需要發展的方向。再者,基於混合系統將量子計算節點進行有效連接進而構建量子信息網絡,也是未來進行大規模量子信息傳遞及協同計算的必備基礎。

《實用量子保密查詢協議研究進展》

高飛 教授,北京郵電大學,教育部青年長江學者

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

高飛發表了題爲《實用量子保密查詢協議研究進展》的主題演講。他指出,人們已經提出了多種量子密碼協議,但受當前量子調控技術所限,真正實用的協議還很匱乏。量子保密查詢可以看作是適當放寬了安全性需求的 N 傳 1 不經意傳輸。該類協議只要使用與量子密鑰分配類似的技術即可實現,具有很強的實用潛力,一經提出就引起了廣泛關注。最後,高飛簡單介紹了量子密碼的研究背景和發展現狀,量子保密查詢協議在走向實用過程中所面臨的若干理論問題,和相應的研究進展。

《貓與妖之對話——量子思維與區塊鏈思維的碰撞》

鄒均 博士,運通鏈達金服科技有限公司 CEO

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

鄒均發表了題爲《貓與妖之對話——量子思維與區塊鏈思維的碰撞》的主題演講。他從哲學層面剖析了量子計算和區塊鏈的特點,把量子計算比作「薛定諤的貓」,把區塊鏈比作「麥克斯韋妖」。之後,詳細解釋了量子 qubit 的定義,量子門實現及仿真和在 IBM 量子云上的實測結果。他還從理論到實踐層面介紹了量子計算的原理,以及 Shor 和 Grover 兩種常用的量子計算算法及其特性。最後,他對抗量子加密算法進行了探討,提出量子計算爲區塊鏈帶來的四類可能的改進:量子隨機性使區塊鏈告別僞隨機數,量子糾纏幫助密鑰分發,未知量子態不可克隆性,量子隱形傳態。

《量子計算與區塊鏈》

李志鋒 博士,量子貓科學館負責人

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

李志峯發表了題爲《量子計算與區塊鏈》的演講。他介紹了量子計算的基礎知識,量子計算機的威力,量子計算機的技術方向和最新進展。並對各國就量子技術發佈的相關政策,世界範圍內各高校的研究情況進行了普查性質的報告。此外,他基於區塊鏈的技術特性、密碼安全和信息安全,分析了量子計算對傳統加密算法帶來的威脅,提出區塊鏈在量子計算時代的加密保護措施。最後,他介紹了量子區塊鏈的研究進展,以及如何最終實現在量子計算環境下安全的區塊鏈。

《區塊鏈技術及應用實踐》

餘向陽 教授,中山大學,廣州致鏈科技有限公司首席科學家

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

餘向陽發表了題爲《區塊鏈技術及應用實踐》的主題演講。他提出,當前的數據特性,正在實現多維採集、不斷融合的特點,需要利用區塊鏈特性,建立智能互證數據處理系統,從而完成區塊鏈思維模式下的數據邏輯。之後,他介紹了區塊鏈當前的技術基礎、技術特性和應用模式,以及區塊鏈技術解決方案的案例,包括區塊鏈瀏覽器、可信智能物聯平臺、數據篡改監控平臺、Baas 平臺架構和實現等。最後,餘向陽仔細講解了區塊鏈與物聯網融合的模式和技術創新,特別是如何在無須改變現有 IoT 架構和特徵的前提下,實現與區塊鏈技術融合。他以區塊鏈微型智能光譜儀作爲案例做了具體的分析和講解。

《量子計算陰影下的區塊鏈》

郭宇 博士,安比實驗室創始人

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

郭宇發表了題爲《量子計算陰影下的區塊鏈》的主題演講,核心分析了在量子霸權的逐漸實現情況下,區塊鏈技術是否還能夠保障安全的問題。他提出並討論了若干種針對區塊鏈安全問題的量子攻擊設想、模式和可行性計算。首先,是針對「 POW 挖礦」的量子攻擊模式。他在設定實際條件的情況下,對比了結合 Grover 算法的量子計算 SHA256 的速度和經典 ASIC 礦機計算 SHA256 的速度,同時分別討論了分叉長程攻擊、僞造區塊攻擊、生日算法攻擊三種攻擊手段下,量子計算對「 POW 挖礦」的影響。

結論是,比特幣的 PoW 共識受量子計算影響有限 。其次,是針對「數字簽名的量子攻擊安全假設:橢圓曲線離散對數問題(ECDLP)」。他提出,結合 shor 算法的量子計算,可以較爲容易的從公鑰破解私鑰,這是經典計算難以做到的。結合生日攻擊的量子計算,不那麼容易從地址破解公鑰,但對於經典計算而言,更爲困難。可以說,中本聰採用比特幣地址的設計,具有抵抗量子計算的先見之明。但是,比特幣的支付模式中,早期的公鑰是暴露在區塊鏈上的,大約有 1/3 的比特幣,公鑰已暴露,包括中本聰遺產。接着,他分析了量子計算機可以發起比特幣致命攻擊的時間問題。最樂觀的預測下,到 2027 年,量子攻擊時間將縮短到 30 分鐘。除了比特幣,以太坊和 Libra 都處於量子攻擊的高度危險的狀態。最後,他展望了後量子時代的區塊鏈技術的發展,包括內存複雜 PoW 算法、類 BFT 共識協議 + 格密碼學等。

《基於零知識證明的原子交換研究》

曹嶺 副教授,重慶郵電大學

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

曹嶺發表了題爲《基於零知識證明的原子交換研究》的主題演講。他從研究背景與意義、研究現狀和研究內容三個方面爲與會者闡述了當前此方面研究的情況。他指出,基於比特幣的基礎加密原理電子現金嘗試在比特幣出現之前已經出現。比特幣的本質是信任製造機,其內涵包括共享賬本、智能合約、隱私保護和共識機制。最後,他重點介紹了四種區塊鏈跨鏈技術之一的原子交換,以及如何將零知識證明運用在原子交換的過程中,並實現匿名交易,以保護交易雙方的隱私安全。

《區塊鏈隱私保護》

萬志國 教授,山東大學

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

萬志國發表了題爲《區塊鏈隱私保護》的主題演講。他首先解釋了何爲隱私和隱私權,以及隱私保護所面臨的現實困境。之後,將基於區塊鏈的隱私保護做出分類,分爲小隱、中隱和大隱。他指出,零知識證明是真正的大隱的區塊鏈隱私保護技術,其應用實例從賬戶模型到門限、車聯網、數據分享和供應鏈金融都有發展。最後,他重點介紹了零知識證明,分析了零知識證明的功能、可驗證計算、效率等。並且,他詳細介紹了 Zk-SNARK 的範例,以及零知識證明的應用案例,強調 2019 年的區塊鏈就相當於 2000 年的互聯網,並且零知識證明將成爲研究重點。

總結

朱嘉明,數字資產研究院院長

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討

朱嘉明發表了總結講話。他指出,在今天關於量子科學與技術的討論背後,其實仍舊是 1927 年愛因斯坦與波爾的爭論的著名問題:上帝是否擲骰子的問題。我們設想一個場景:如果愛因斯坦、波爾和普朗克活到今天,他們參加今天的討論會,哪些是在他們完全意料之中的,哪些是在他們意料之外的?在如何看待宇宙的規律和決定論,在「上帝是否擲骰子」問題上,是否依然分成兩個「陣營」?

朱嘉明說:如果這樣的場景真的發生,他們最終很可能會在以下幾個問題上 「求同存異」,形成一定的共識:

(1) 1920 年代奠定的量子力學的原理和框架沒有過時;
(2)量子力學已經推動量子化學和量子生物學等交叉學科的產生與發展;
(3)在一百年之後,人類終於走近,甚至進入到「量子時代」,數字經濟時代不過是量子經濟時代的一種比較初級的形態;
(4) 量子時代的重要標誌就是從量子科學技術到應用的全方位突破,而且形成了 R&D 鏈條;
(5)量子科學與技術已經開始產業化和商業化的互動;
(6)世界正在悄然進入量子競爭時代,世界主要經濟體開始設計「量子時代」戰略,並將國家利益和地緣政治的因素注入「量子時代」戰略;
(7) Google 對「量子霸權」的定義已經開啓了日益激烈的量子霸權爭奪戰的序幕;
(8)量子科學的「通識教育」迫在眉睫。

關於量子計算和「區塊鏈」的關係是一個值得深入探討的課題。如果承認「區塊鏈」首先是科學,其次是技術,那麼,在量子計算和區塊鏈之間很可能存在某種基因和染色體的聯繫?今天已經沒有辦法把這個問題詳細討論,但有一點可以肯定,就是「量子區塊鏈」的概念很可能是成立的,甚至是值得探討的主要方向。 朱嘉明稱,他傾向這樣的立場: 量子技術和量子科學的發展不是在摧毀或者動搖「區塊鏈」的整個結構和體系,而是可能在很大程度上爲「區塊鏈」提供新的技術元素,將其改造成基於量子科學的一種新的技術體系。

最後,朱嘉明指出,可以發現至少在過去半個世紀裏,特別在過去一、二十年裏,所有重大的科學技術思想和技術,計算機、基於芯片的摩爾定律、互聯網、大數據、雲計算、智能手機、人工智能、虛擬世界、區塊鏈的出現,都像被一個神祕的力量安排好的,幾乎每過一段時間就推出新東西,非常有規則,非常有節奏,近似於「宏觀拼圖」。是不是可以說,到今天爲止,該出來的都出來了,該上場的都上場了,該啓示的都啓示了。如果是這 樣,我們需要整體思考我們處於的科學結構,包括今天會議的主題。 當然, 我們現在還難以真正理解,甚至感覺和意識到我們這個世界最深層的改變,特別是日益逼近的從思想到科學的「範式」變革,以及經濟和社會的制度性轉型的內涵。 所以,我們需要以一個非常謙卑的、莊嚴的精神和態度面對未來。

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討劉揚偉 致辭,鴻海集團董事長

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討量子信息與區塊鏈智庫中心聘任儀式,朱嘉明、崔巍

量子計算對區塊鏈是威脅還是機遇?朱嘉明請來了 14 名學術專家探討會議大合照

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