量子计算的金融应用:急不得、慢不得

作者:车宁 、Peter Grandich

来源:财经五月花

—摘  要—

为不至于重蹈前期部分金融业务“先发展后治理”而给国家及公众带来重大损失的覆辙,政府首先需要完善政策法规体系,对以量子计算等为名的非法金融活动重拳打击,对量子计算之于国家信息安全、公民隐私保护的影响提前予以规范

任何足够先进的技术都等同于魔术。

——阿瑟·C.克拉克,作家

人类精神必须凌驾于技术之上。

——阿尔伯特·爱因斯坦,科学家

如果说在之前的采集社会、游牧社会和农耕社会,科技还只是发挥工具作用,那在工业社会及以后的现代文明中,科技则雄踞经济金融舞台的中央,其作用已然超越于“器”而进阶为“道”,不但是生产的推动力量,而且是经济的组织力量,这在数次科技革命的波浪式推进中也可窥见一斑。

然而与过去辉煌历史相比略显尴尬的是,科技已经长时间没有取得与蒸汽、电气时代相提并论的重大突破,被冠以“新”革命希望的技术虽然林林总总,但或者只是在地平线上摇曳闪烁,或者即使落地也成果寥寥。而当前世界范围内经济增长的疲软以至民粹主义的泛滥,一定意义上也正是肇因于此。

于是就有了各种对科技的“戈多”(Godot)式等待,而就在这种等待中姗姗来迟的科技往往又具有了预言乃至玄学色彩,等待本身也异化为信仰。比如在十余年前就开始走俏学界业界的区块链,其分布式架构、密码学技术在真正形成生产力前就已然在原教旨自由市场经济学加持下狠狠收割了广大“韭菜”,其不良影响至今未能完全消弭。

区块链尚且如此,更何况量子计算,相比前者,后者不仅在理论上与普朗克、薛定谔、爱因斯坦等一众大牛息息相关,在成果上也可算是原子弹、计算机等历史性应用的堂亲,甚至在文化层面上,测不准、量子纠缠等概念早已随着科普读物、科幻小说而为公众所熟知,就连宗教人士也津津乐道于量子力学对经典物理的“颠覆”。

然而玄学不是科学,更不能替代科学,科学唯有与生产结合才能真正释放其巨大作用。习近平总书记在中央政治局第24次集体学习中强调,“当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中一个关键变量。我们要于危机中育先机、于变局中开新局,必须向科技创新要答案。要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。”

不管是从历史经验、现实需求亦或国外布局来看,金融都将是量子科技的重要应用场景,两者的结合有望革命性地提升金融服务的可得性、精准性和安全性,更好地满足实体经济需要,加速数字经济的到来。然而一如著名发明家、作家巴克明斯特·富勒所言,人类正在学会各种正确的技术,但都是出于错误的理由。互联网金融泡沫的“殷鉴不远”,在谋划量子计算金融应用的过程中,我们既需要热情拥抱,更需要冷静分析。


量子计算真正改变了什么


与一般认知不同的是,量子计算的革命性突破固然表现在算力的成倍增长,更体现为算法的颠覆改造。

1981年,著名物理学家费曼(Feynman)在麻省理工学院举办的第一届计算物理学大会上历史性的演讲中描绘出基于量子现象实现计算的前景。

四年之后,英国牛津大学教授多伊奇(Deutsch)首次提出了量子图灵机的构架,量子计算开始具备了数学的基本型式。

量子计算和现有计算框架的根本性区别在于将计算的物理基础从分子层级(电子运动)上升(或下降)到粒子层面,即物质的源头(粒子是构成一切物质的最小单元,即万物的本源)。

量子计算的基础是作为物质最小单元粒子的不确定性,可以“既是A又是B”(既是0又是1)的叠加态形式存在,当一个系统中存在n个粒子时,其可以承载2n个状态。与此相应,量子计算的运行模式是对每种可能的状态都以并行的方式演化(a.k.a. 幺正演化,微观过程中的物质不灭原理),这是真正意义上的并行处理。这一模式的震撼之处在于,假设n=500,2500就比地球上已知的原子总数还要多,因此至少在理论推导的层面,量子计算彻底摆脱了宏观世界中物质(硅)的空间限制。

在量子计算讨论中时常遇到的另一个概念是量子纠缠,这是基于微观世界的另一种物理现象,即两个暂时耦合的粒子,不再耦合之后彼此之间仍旧维持关联,即使两者相距甚远。2017年6月16日,量子科学实验卫星墨子号首先成功实现了两个量子纠缠光子在被分发到相距超过1200公里的距离后仍可继续保持其量子纠缠的状态,量子计算就此可通过先创造一个多体纠缠态来实现。因此,在量子计算的体系结构里,量子纠缠扮演了很重要的角色。

硬件领域,量子计算或量子计算机的实现需要一个载体或一个结构将多个粒子相互关联起来,并对量子信息储存单元(即量子位元,又称量子比特;本文以下均以量子比特指称)进行操作。这个物理载体被形象化地称之为“量子芯片”,其核心就是产生“相干”的粒子(可简单理解为相互干扰的粒子)。目前尝试实现量子芯片的路径有超导、拓扑、硅量子点、光量子、离子阱等多种方式,但每一种方式还都存在着从理论上的可能性到实际落地的巨大鸿沟。

让粒子能够运算还必须要有量子线路,即对量子位元进行操作的线路。不同于古典电路中用金属线所连接以传递电压讯号或电流讯号,测量的是电子的变化;在量子线路中,线路是由时间所连接,亦即量子比特的状态随着时间演化,通过量子逻辑门操作量子位元(逻辑门是集成电路中的基本组件),使量子比特的状态向指定方向改变;最后,通过量子测量读出所有粒子的状态就是需要的计算结果。

以上简单介绍了和量子计算相关的概念。正如从经典物理到量子物理是理论框架从宏观到微观的跨越,从传统计算到量子计算也是计算架构从分解到求解的飞跃。我们固然已经可以看到算力成百上千倍的增长的曙光,它将击破我们很多现有的思维框架,变“不能为可能”,但这一天事实上还没有真正来临。


量子计算金融应用急不得


每年,IBM全球实验室(IBMRese0arch Lab)都会展示五项重大技术突破并进行前景预测,他们相信未来五年内这些技术将从根本上重塑商业和社会。而量子计算正是2018年发布的五项技术之一,“今天,量子计算是研究者的舞台。五年后,它将成为主流”,其当时如是说。

2019年10月,谷歌公司研究团队研制了一个包含53个有效量子比特的处理器“西克莫”,并在《自然》(Nature)杂志上发表。在测试中,这一处理器仅用了百余秒时间就完成当前全球最好的超级计算机需要约1万年才能完成的计算任务,这也就是被美国各种宣传的“量子霸权”( 量子计算相较于传统计算的颠覆性)的由来。

然而现实的残酷性在于,无论是IBM预测的2023年量子计算机进入大规模的商用,还是谷歌宣传的量子计算对传统计算的碾压,都无法改变一个现实,即能够进行通用计算的量子计算机时至今日都还不存在。所有已知的量子计算机都还是只能解决特定的问题。形象地说,它也许可以处理数理方面的世界性难题,却仍然运行不了一个看似简单的财务软件。

从硬件实现路径看,目前比较领先的技术是超导(IBM与谷歌均走的是超导路径),这意味着量子计算只能在近乎绝对零度的状态下进行。因此,除非另一种技术路径快速取代超导,量子计算机的实现还有待常温超导材料的突破。而常温超导现象虽然在上世纪80年代即已在实验室中被发现(几乎与量子计算同时起源),但直到今天常温超导材料仍然遥不可及。

再者,量子计算机固然具有极高的并行能力以及其以指数级增长的特性,这相比经典计算机当然具有无可比拟的优势。事实上,上述前景的诱惑是如此巨大,不仅仅让商业公司着迷,也让国家政府参与到这场“军备竞赛”中。

2016年,欧盟宣布启动11亿美元的“量子旗舰”计划;2018年,美国通过了《国家量子计划法案》,计划投资12亿美元用于促进人工智能和量子计算的发展;2019年8月,德国启动总金额为6.5亿欧元的国家量子计划。我国也在量子计算相关领域投入巨大,包括发射量子通讯卫星墨子号等。

然而这一切都是着眼未来。需要清醒意识到的是,量子计算对当前计算基础设施和框架的破坏性影响都还只是沙盘推演。如前所述,量子计算首先需解决通用性的问题,计算机技术之所以会引发第三次工业革命浪潮,是其从象牙塔里走出来,面向普罗大众,特别是1981年IBM推出个人电脑(PersonalComputer,即我们所熟悉的PC),从此一发不可收拾。类似地,量子计算机目前还只是科学家手中的“玩具”,虽然已经在定向解决某些世界性的计算难题上(如大数分解、 复杂路径搜索等)展现了经典计算机无可比拟的优势,但还没有能实现通用的计算架构,这就好比能用来造火箭却不能造汽车。

特别需要注意的是,在有关量子计算的介绍中,经常会提到“在量子计算的加持下,现有的密码体系秒破”等等,这种观点未免失之偏颇。要知道,量子计算的本质是提供超强的算力,技术是中性的,本身并不会选边站,材料好了,矛尖盾也固。因此,量子计算虽然会带来诸多革命性的变化,会影响到经济和社会的很多层面,但这种变化仍需假以时日。

最后,安全也是量子计算介绍中一个被津津乐道的话题,在这个信息泛滥而确权滞后的时代,声称再无“窃听风云”无疑吸睛满满。大家期盼,由于量子通信的一次一密随机加密方式以及量子世界中的任何观测多会对系统本身造成扰动(不确定性),因此任何窃听都会被发觉。然而,这一切都是去理想化、孤立看待量子计算,在一个存在噪音的环境中,量子计算的优势也可以被利用。

2019年12月,国际著名物理期刊《应用物理综述》(Physical Review Applied)发表了一篇题为《破解量子密钥分发的激光注入式攻击》的论文,量子通信的安全问题由此再度引发关注。该论文通过实验显示,黑客可以把微弱的激光注入到量子密钥分发(QKD)的发射光源从而导致QKD信号强度增加;并进一步在理论上证明了QKD信号强度的意外增加会严重影响QKD的安全性。

2020年5月,法国国家网络安全局(ANSSI)也发布了一份题为《应该将量子密钥分发(QKD)用于安全通信吗?》的重要技术指导文件,认为QKD仅有理论上的优势,应用范围极为有限而且实际安全性差。

在国内,也有相关研究(上海交通大学研究团队)指出,量子加密远不如理想中的可靠,它能够被攻破原因正是其本身就存在物理缺陷。

可以预见,随着量子计算的热度越来越高,其安全性方面的漏洞将不断被发现。这本身并不意外,恰恰说明一项技术的发展,都要经过补漏的过程。量子计算自然也不例外,其从不可靠到可靠,还有很多障碍需要克服。


量子计算场景预研慢不得


以上对于量子计算落地应用目前缺陷的分析固然“冷酷”,但冷酷是为了冷静,分析是为了应用。事实上,在现代金融体系中,产品的结构已是越来越复杂,特别是随着数量经济学的发展,计算机已经成为金融产品和工具中不可分割的部分,部分数据的处理甚至需要超级计算机的引入。不仅如此,随着数据对金融影响的深入,量子计算甚至可能改变金融业务及安全风控的底层逻辑。对于下列需要大量算力加持的金融领域,量子计算无疑有望成为具有决定性作用的胜负手。


来自深度机器学习的智能金融


智能金融这一概念的应用较为宽泛,难以清晰地定义其范畴或内涵,它更多泛指人工智能在金融领域中的应用,智能客服、智能营销、智能风控、智能信贷、智能投顾等等都是智能金融的表现形式,但其真正成功的运营模式无一不是以深度机器学习为基础。金融数据具有复杂、高维度、低价值纯度的特点,这对机器学习本身就是一个巨大挑战。加上金融行业特有的时效性,计算资源的约束已然是限制智能化发展的主要因素之一。而量子计算正有可能为智能金融插上起飞的翅膀。


数字货币流通中的权属登记


从公开披露的信息来看,定位于现钞M0的数字货币在流通中,支付、结算、清算三者合一,因此任何一次交易都会有权属登记的改变,这和现行的账户间清算的方式有很大的不同。一旦其应用场景从跨境、对公领域延伸至零售领域,特别是发生对移动电子支付的规模性替代,数字货币流通中对数据处理量、时效性乃至于安全性的技术需求都会有巨大增长。可以想见,量子计算将在各国数字货币基础设施的建设中起到举足轻重的作用。


依赖爆发性算力的算法交易


类交易特指根据交易策略模型及实际行情信息进行计算并根据结果自动执行二级市场交易工具或品种。在实践中,其优势是以毫秒甚至微秒来体现,这尤其是在高频的情况下。量子计算所代表的算力让很多现在的不能成为未来的可能。事实上,现在的交易策略之所以越来越具有所谓“简单之美”,也正是因为算力的补助。


对金融安全算法的影响及抗量子威胁


作为一种安全手段,加密在金融产品和服务中具有广泛的应用,如基于RSA密钥的安全工具U盾、K宝等就已被广泛用于用户身份乃至交易意愿的认证。然而在未来量子计算的“威胁”下,目前许多正在使用的密码学标准都已不够安全。正是在这种未雨绸缪的意义上,“后量子密码学”在相关研究中出现的次数日渐频繁,在实践讨论中也逐渐走俏。

为对抗隐然成型的量子威胁,增强金融安全的解决方案包括利用加密算法增加复杂性,驱使方案运行时间的指数级增长,直到创建对于量子计算机都有难度的新型加密方法,而在这其中比较引人瞩目的是所谓的“格密码”。

“格”是一种数学结构,其理论研究源于开普勒在1611年提出的所谓的“格困难”问题(LWE):即在一个容器中堆放等半径的小球所能达到的最大密度,而在多维空间如果所有的球心构成一个格,找到球的最大格堆积密度和最小格覆盖密度问题是非常困难的。目前格密码的发展方向包括基于格的零知识证明、格同态加密、格公钥加密、格签名等,部分研究已经开始进入商用阶段。


量子计算发展需多方携手


在前述中央政治局第24次集体学习中,习近平总书记的讲话将发展量子计算提高到国家战略角度,并要求健全政策支持体系,保证对量子科技领域的资金投入,带动地方、企业、社会加大投入力度,加强国家战略科技力量统筹建设,完善科研管理和组织机制。

从目前情况看,虽然我国在量子通信相关领域处于领先位置,但在量子计算其他方面的积累却还处于相对薄弱甚至滞后的阶段,仍需奋起直追。展望未来,量子计算发展意义重大且任重道远,需要政府、专业机构、企业等多方携手,群策群力。

对于政府来说,既需要驱逐“劣币”,更需要培植“良币”。量子计算在技术上前景与缺陷并存,应用上泡沫和意义同在,为不至于重蹈前期部分金融业务“先发展后治理”而给国家及公众带来重大损失的覆辙,政府首先需要完善政策法规体系,对以量子计算等为名的非法金融活动重拳打击,对量子计算之于国家信息安全、公民隐私保护的影响提前予以规范。

此外,量子计算是一个高投入、高风险的领域,技术路径上目前也属于多头并进的阶段,这就需要政府组织相关机构及时开展全局分析,早日明确顶层设计。在此基础上,既要用好传统科技机制动员快、集中力量办大事的优势,又要探索适应量子计算产学研协同发展的新型研发机制,注意发挥市场的主动性。

对于专业机构来说,关键是发挥纽带作用,凝结各方智慧。技术从实验室到市场,需要实现从理论模型到原型应用,从原型应用到实际场景的多次跳跃,其间必然需要各类机构发挥各自优势,当好现象级应用落地的“接生婆”。科技机构除了要在中西充分交流基础上做好基础研究外,也要以“问题”为导向,注意与企业、市场的结合与资源互补。

科研机构之外,行业协会、新型研发机构等也各有用武之地。量子计算投入巨大,如何控制成本、找准方向很大意义上是项目成败的关键。政府的顶层设计、法律制度固然勾勒了技术及其应用的框架,但更细节的指导如标准建立等还需要行业协会的作用。在传统高校、科研机构推进基础研究之外,也需要与市场、资本联系更为紧密的新型研发机构在场景本地化上一展所长,使量子计算相关成果不仅能用,而且好用。

对于金融机构、科技企业来说,不仅要前瞻布局,更要深度参与。如前所述,金融业务是受量子计算影响比较大的领域之一,一方面,量子计算所带来的算力增长为开发新的金融服务和产品带来了无限可能性;另一方面,量子计算对现有安全体系的冲击绝不可忽视,金融机构唯有早作布局应对,才能从容面对危险。

更为关键的是科技企业及其背后的投资机构。历史的正反经验充分说明,技术能否真正孕育成熟走向生产,固然需要象牙塔,更需要市场化。当前,量子计算从软体到硬件诸多发展路径仍不清晰,充满挑战的同时也不乏重大商机。并且正是在敏感的市场信号调节下,量子计算应用才能走出可持续发展之路。

事实上,我国企业的量子研究已然起步,如华为建设有量子计算云平台,阿里完成了可控量子比特研发,本源量子发布了分布式含噪量子虚拟机,翼帆数科开始对格密码进行产品孵化等等,然而与国外同行相比仍有差距。立足如此广阔的中国市场,期待更多企业能投入历史洪流,在量子计算特别是其金融应用有所斩获、有所贡献。

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