## 量子计算 面临的机遇和风险

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### 量子计算简介与基本概念
- 量子计算利用叠加和纠缠等量子现象来执行计算，基本单位为量子位（qubit）。
- 量子位可同时代表0和1（或两者的某种组合），这种现象称为叠加。
- 量子纠缠是量子元素之间的一种特殊联系：无论相距多远，改变一个元素的量子态会立即影响另一纠缠元素。
- 随着量子位数量增加，量子计算机的计算处理速度呈指数级增长：
  - 想要制造一台仅有54个量子位的量子计算机模型，大约需要1.8x1016比特的传统内存。
  - 一台100量子位的量子计算机需要的比特数比地球上的原子还要多。
  - 一台280量子位的计算机需要的比特数比已知宇宙中的原子数量还要多。

### 机遇：科学研究与金融应用
- 量子计算相较于数字计算机在复杂计算任务上可同时“遍历”所有路径，从而大幅减少求解时间。
- 潜在收益包括：
  - 加速科学发现与创新，颠覆金融市场的建模和模拟形式，促进机器学习和人工智能发展。
  - 模拟亚原子粒子、分子相互作用及化学反应，推动化学工程和材料科学（如固态电池设计）。
  - 改善对气候变化的理解与模拟。
  - 在金融领域：
    - 实现几乎实时且更高精度的定价和风险模拟（取代传统的蒙特卡罗模拟中不切实际的假设）。
    - 解决最优化任务（资本配置、确定投资组合、管理ATM网络中的现金等），耗时远低于数字计算机。
    - 加快机器学习算法的训练；量子计算不存在因每增加一个维度而导致的指数级运算时间增长问题。

### 风险：对现有密码基础设施的威胁
- 量子计算机可能威胁现代密码技术，影响金融稳定与隐私。
- 现代密码技术主要基于三类算法：对称密钥、非对称密钥（公钥）和哈希函数。
  - 对称密钥：加密与解密使用同一密钥。
  - 非对称密钥：使用一对相关密钥（私钥、公钥）；广泛用于数字认证、数字签名、数据安全。
  - 哈希函数：将数字输入转换为唯一固定长度字节，常用于保存密码与确认数字身份。
- 与目前最先进的超级数字计算机相比，量子计算机在解决数学难题时的速度呈指数级增长：
  - 从理论上，一台正常运转的量子计算机可以在几分钟内破解一个非对称密钥。
  - 公钥尤其容易破解：大多数基于分解问题的公钥可被量子计算机轻易破译。
- 非对称密钥被破解将危及互联网安全通信与金融系统所依赖的连接，包括手机银行、电子商务、支付业务、ATM提现和VPN通信等。
- 数字资产与常用协议的脆弱性：
  - 比特币和以太坊等数字资产所使用的应用程序和由密码保护的网页应用程序，使用的都是易被破解的公钥加密。
  - 在这些协议中，HTTPS为最著名；在世界前100名网站中，有97个使用的都是HTTPS协议。
- 追溯风险（retrospective risk）：
  - 目前被认为安全的信息可能被捕获并存储，待功能足够强大的量子计算机出现后可被解密。
  - 几乎所有今天发送与存储的加密个人信息与金融信息，都可能被未来的强大量子计算机回溯解密。
  - 大多数金融机构和监管机构尚未对这些新风险充分警惕。

### 标准制定与应对时间窗
- 各国和标准机构的行动：
  - 美国国家标准与技术研究院正在举办开发量子安全加密算法的竞赛，目标希望在2024年之前出现获胜者。
  - 欧洲电信标准学会也已展开相关工作；美国和欧洲的努力促使其他标准制定机构采取行动。
- 由于存在追溯风险，金融机构实施新标准的窗口期会十分短暂。

### 金融机构与监管层的建议（政策与实践）
- 金融机构应立即采取措施，为加密转型做好准备：
  - 评估量子计算机带来的可追溯风险和未来风险，包括已被捕获且可能在多年后被利用的信息。
  - 制定计划，将当前的密码学迁移到量子抵抗算法（后量子密码技术）。
    - 包括盘点金融机构自身使用的公钥密码，以及第三方供应商使用的公钥密码。
    - 对易于破解的算法，应转变为后量子密码技术。
  - 创建加密敏捷性以顺利升级算法。经验显示，算法替换可能极具破坏性，通常需要花费数年甚至数十年才能完成。
- IMF的角色与建议：
  - 在提高成员国风险意识、加深对量子计算机所造成金融稳定风险的理解、推动建立量子安全标准及实践方面，IMF发挥重要作用。
  - IMF应鼓励成员国开展紧密合作，共同制定量子安全加密标准，保障操作性，并为本国金融行业制定加密迁移计划。

### 技术成熟度与警示
- 当前量子计算机脆弱：热、光或振动等环境扰动会将量子位元拉出量子态，变成常规位元，导致计算错误。
- 尽管目前量子计算机尚不完善，但距离能够以高准确率破译密码的量子计算机的出现“已为时不远”。
- 历史表明，原以为牢不可破的密码被新技术破解并非罕见，金融机构应充分认识风险并及早采取安全措施。

*本文由何塞·德奥多罗、迈克尔·戈尔巴尼奥夫、马吉德·马拉卡、塔赫辛·萨阿迪亚·西迪克合著；基于IMF工作文件21/71《量子计算机与金融系统：鬼魅般的超距作用》。*

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