專家檔案：張首晟，中國科學院外籍院士、美國科學院院士、丹華資本創始人、斯坦福大學終身教授。2007年，他發現的“量子自旋霍爾效應”被《科學》雜志評為當年的“全球十大重要科學突破”之一。基于對拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應的開創性研究，他已包攬物理界所有重量級獎項。

下文是筆者編輯整理的一篇張首晟先生近日在“安全·贏未來”2018區塊鏈安全高峰論壇上的演講，希望能給讀者帶來啟發。

量子計算與區塊鏈在矛盾中發展、共存

區塊鏈是我一直非常感興趣的題目，我今天想講的正是量子計算、AI與區塊鏈。

三星期之前，給整個谷歌全體員工做了類似的演講?，F在來看，我們整個IT行業讓我總結一下的話，這三個是我們最最前沿和激動人心發展的前景，而且三者之間相互的關聯才是非常值得大家關注的。

比如量子計算和區塊鏈必然是在矛盾中發展的過程，量子計算和網絡安全也是非常緊密的關系。我個人在量子計算領域做了一些工作，我簡單介紹一下。

我最近做的科學發現叫天使粒子，往往一些科學發現都跟深刻的哲學理念相關。我們似乎生活在對立的世界里，有正數必然有負數，有存款必有負債，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。這在基本物理世界里有個同樣的對應，那就是在1928年的時候，一位偉大的物理學家狄拉克，根據哲學的原因把愛因斯坦狹義相對論和量子力學統一的時候發現了著名的狄拉克方程。

狄拉克方程預言的是，在自然界所有粒子必然有反粒子，但是當時世界根本不知道什么是反粒子，所以大家都嘲笑他，說他這個結論不對。他講了一句話，他說我的方程太美麗了，你們繼續找下去吧。

五年之后，大家在宇宙射線輻射的時候找到了反粒子。正電子在日常當中被應用，比如醫學檢測其中有一項是PET，就是電子的反粒子，叫正電子。

反粒子的存在不只是在真正的生活中有所應用，也給好萊塢帶來廣泛的想象。大家可能都看過一部電影叫《達芬奇密碼》，后續的一部叫《天使與魔鬼》，就是說正電子和負電子、正粒子和反粒子之間的淹沒有點像天使和魔鬼的爭斗。電影里講了一幫恐怖分子想把反粒子偷出來，他們用了100萬分之一克反粒子爆炸后產生的能量，相當于5噸的TNT。

大家認為這是宇宙永恒不變的真理，有粒子必然有反粒子。有一位物理學家很好奇，是意大利的科學家Majorana，整整80年以前做了完全新的猜想——有一種粒子存在，并沒有反面，他就是反粒子。

從此之后在整個物理學界有一個大家夢寐以求的名單，大家想找到這些粒子。比如2012年在歐洲粒子加速中心，一個長期被期待和預言的粒子被發現，叫希格斯粒子。這是物理學界重大的發現，后來過了幾年就獲得了諾獎。

我們夢寐以求的名單當中也有引力子、瓷單極、暗物質和Majorana費米子，而Majorana費米子和別的夢寐以求的名單中的粒子不一樣，除了粒子本身非常奇妙使得大家夢寐以求想尋找之外，意大利人Majorana本人也非常神秘。寫下這篇文章之后沒有幾個月，他就到了一個港口上了船，本來想去細細里島，但是再也沒有出現。這成為整整80年的迷，他的粒子是不是存在，他本人到底發生了什么？

2010—2015年期間，我的理論小組精準的告訴大家，在過去80年之內大家都找不到這個粒子，Majorana只是一個猜想，說不定自然界存在這種粒子，但是并沒有告訴大家去哪兒尋找，就像他本人一樣神秘。但是在2010年，我的理論小組精準預言了在哪個實驗系統，并且用什么樣的信號可以找到Majorana費米子。

往往一些比較深刻的科學發現用最簡單的語言可以解釋得通，比如通常的粒子就像硬幣，有正面有反面，但是這個Majorana費米子只有一面，沒有反面。所以某種意義上Majorana費米子是通常粒子的一半，如果是通常粒子的一半，在某些性質上也會有所體現。

那么，通常粒子在電導過程中的量子化要么是0，要么是1，要么是2，都是整數的臺階。我們理論小組大膽的預言了，如果有這種天使粒子存在，就會導致半整數的平臺。就在去年，我記得是7月份，我們的理論小組在斯坦福和UCLA、UC Davis UC lrvine緊密合作，真正是在實驗條件下首次在0.5的地方發現，也是提供了天使粒子存在的最強有力的證據。

在那個激動人心的時代，我們做科學家的樂趣是追求夢想，但是作為科學家也是會有非常獨特的喜樂——就像我們生了自己的孩子一樣，可以給孩子取名字，我們作為科學家有重大科學發現，也可以給發現的粒子或者概念取名字。當時我就想起我當年非常喜歡看這本小說，也很喜歡看這個電影《天使與魔鬼》，所以向媒體界宣布這么一個消息，我們找到了一個絕妙的天堂，那里只有天使沒有魔鬼。

但是這個跟我想說的有什么關系？就是整個網絡安全和非常神秘的天使粒子的發現到底有什么關系？今天網絡上所有安全的協議都是建筑在最基本的數論概念上，比如今天在網站上看新聞，我們仔細看上面的標題寫的是HTTP，但是如果要去淘寶網買東西，馬上就會變成HTTPS，這個S就是我們今天講的安全。

這個安全是建筑在什么算法上呢？就是建筑在RSA的算法，RSA算法跟安全什么關系？它是特殊的加密辦法，是建筑在數論的基本概念上，如果我們取任何一個自然數，比如我們看15和11差別在哪？大家顯然知道，15可以寫成3×5，但是11寫不成兩個數的乘積，最多只能寫成1×11，這不算。這種特殊情況不算的話，就是15和11有本質的差別。我如果告訴你一個很大很大的數，你很難區別到底是術數還是復合數，是兩個更小的術數的乘積，還是它自己本身是一個術數。所以整個網絡的安全就是在建筑這么一個數學原理上，這種判斷非常耗時間。

如果我們把它看成數學問題，經典的計算機只能用窮取法找到這個數是術數還是復合數，比如把這個數先除2再除3等等，看被整除時才知道，所以經典計算機做很多計算都是一步一步的，用窮盡法用很多時間。

但是如果來到量子的世界里，這是一個非常神奇的世界——一個粒子可以在同一時間穿過兩個孔，所以量子的世界是平行的。而如果建筑在這個原理上，能不能構成新的量子計算機？

經典的計算機最基本的信息存儲單位叫1比特，這個比特要么是0要么是1，但是量子世界如果一個基本粒子同一時間能夠同時穿過兩個孔，我們這個量子比特也可以成為0和1之間疊加的狀態。

一旦能夠達到這種狀態我們就能有量子計算機，有了量子計算機就可以把本來需要很長時間才能做得出來的數論題很快地做出來。但是量子比特非常非常脆弱，為什么量子計算機人人都在講，但是我們用的數論協議還是安全，主要是量子計算機非常難造出來。現在美國的大公司都在大力的投資要造量子計算機，就是希望達到這種平行計算的可能，但是由于量子比特非常非常的脆弱，大家現在還沒有真正把量子計算機有效地造出來。

我的科學發現是天使粒子的發現，就是在核心上改變了這個問題。通常的量子計算機如果有一個量子比特需要10—20個糾錯的量子比特為他服務，顯然沒有拓展性，如果有一天我號稱自己造了50個量子比特而其中可能只有兩個可以用，但是有了天使粒子發現之后是非常奇妙的，每個量子比特就不需要另外再糾錯，因為它自帶糾錯的功能，所以我們這個是非常轟動的發現。因此，通過這個發現可能整個量子計算機的步伐會快速的往前進行。

在這個之后我們再談到第二個題目就是AI。

AI會為區塊鏈技術安全方面帶來重大影響

我們人類進化了差不多10萬年，現在終于有一個新的可能的智力的產生。在過去的10萬年人類顯然是整個地球上最聰明、最有資歷的動物。但是現在AI的產生好像對我們自己的智力也有一個挑戰，AI之所以在今天這個世界會有突飛猛進的發展，主要有幾個原因：

第一，計算能力按照摩爾定律每過18個月翻一倍，我們量子計算機發明之后這個不僅是量變，而且是質變。

第二，海量數據產生，而且有非常精妙算法的產生?，F在整個人類的AI發展似乎還是在非常簡單的仿生的階段，如果做一個比喻，我們人類看到鳥飛帶來了很大的靈感，我們想自己能不能像鳥一樣飛，所以我們首先想到的是在自己手臂上放兩個翅膀，這個結果當然不太好，但是最終我們理解了后面的數學原理，就是空氣動力學，使得我們造出大飛機，飛得又高又快，但是并不一定像鳥一樣飛，這是給我們很大的啟示，我們AI并不一定像人才是牛，但是會有個客觀的根據來判斷AI哪一天是不是像人一樣的聰明。

我現在講非常值得大家關注的，區塊鏈。區塊鏈和AI會不會有非常奇妙的結合？我剛才講了區塊鏈和量子計算可能有矛盾的存在，但是和整個AI我覺得是可以成為互助的產生。

AI所需要的是三塊，1）計算能力的指數級增長；2）海量數據的產生；3）算法。但是那個海量數據的產生是我們現在最稀缺的，因為現在我們整個社會對數據的擁有權非常模糊，在這些中央壟斷的平臺上用了他們的服務，但是過程中卻把我們自己最隱私的數據暴露出來，一旦有了區塊鏈之后第一可以做的事情就是八個人的數據完全隱私的保護起來，但是這樣還不夠，如果把個人數據完全個人擁有，一點不跟大家分享的話，必然也不能通過大數據的學習使得AI更加往前走一步。

所以，在這個時候會有一個非常奇妙的數學算法產生，又能保護你的隱私，又能達到集體的智慧。我把今后整個人類金融和數據市場的發展用一句話來描述叫In math we trust，就是我們的信任機制可以完全建筑在數學上。

這也是使得作為一個科學家覺得區塊鏈是特別有意思的學問，因為里面又需要深刻的數學，又需要跟經濟行為緊密結合，剛才已經講了整個加密的系統是建筑在數論因子分解定論上，并且有了哈希函數，很難找到哈希值，但是一旦找到之后容易被驗證，這是區塊鏈的核心思想。

區塊鏈+AI產生偉大的效率必然需要下面的幾個數學理論，其中有一個叫零知識的證明。比如我解了一個非常難解的題，我想告訴你我已經解了這個題，只想給你一個比特的信息，并不想把我解題的內容告訴你，我把我的答案完全公布給你看，你馬上知道我到底有沒有解，但是又會造成一個問題就是給你的信息太多。所以現在，整個這個領域需要的數學理論，就是能夠保護隱私又能做計算，我能給出你一個比特的信息，就是我把這個題解了，但是不能把解的答案告訴你。

另外，加密經濟也會使整個社會更加公平，現在社會帶來最大的不公平就是對少數派的歧視。但是一旦有了數據市場這個概念之后，會使得我們的社會變得更加公正。為什么呢？

比如剛才講AI最需要數據，但是需要哪一類數據，比如現在AI算法算到90%精準，我要更上一步提高到99%，我需要的數據肯定跟我以前學的數據越不像越好，就是那些非常少數的算例。這樣我學習到新的數據，馬上就會想到跟以前不像的那些少數派擁有的數據，我會給它更大的比例，使得AI變得更加聰明。

在這樣的世界里少數派會得到更多的重視，就好像丑小鴨變成美天鵝，因為丑小鴨并不是它本身丑，而是它跟別人不一樣，在數據市場產生的那個時代也會使社會變得更加公平，所以數據市場也是區塊鏈很大的一塊，今天的一位嘉賓李俊先生，他們就是專門做整個底層的架構，用上我剛才講的那些數學理論，把它真正建成能夠保護個人隱私的系統。

區塊鏈會給AI帶來海量的數據，既能保護個人的隱私，又能學習到集體的智慧，反過來也是一樣，通過AI也能給區塊鏈上的安全帶來重大的影響，在這個情況下的確需要AI在整個區塊鏈過程中和學習過程中把安全問題解決。

網絡世界，“分久必合、合久必分”

整個區塊鏈上大家經常會問一個問題，我們共識機制當然是非常重要，但是達到這個共識是指一定要付出某些代價。

從物理學的語言來講，達到共識是熵減的過程，但是整個宇宙的熵會增加?，F在比特幣需要燒掉一些能量還是比較自然的現象，因為總的熵在增加，我們達到共識時會減，必然會排出熵。我并不是說比特幣達到下限，在這個領域另外一個非常好的學術問題，就是達到一個單位共識的情況下要燒掉多少熵，花費多少的資源或者多少的能源，所以并不能說比特幣現在就達到了這個下限，我的理論是說它必然消耗一些資源，當然消耗的資源越少越好。

再回到跟安全問題有關的，由于不只是消耗了一些能量，并且使得挖礦的礦工大家聚集在一起，一旦聚集在一起，本來去中心化的理念就破壞了。所以，我覺得整個網絡的世界處在分久必合、合久必分的循環，本來區塊鏈是去中心化，但是大家挖礦過程中又變得中心化。

現在有個非常奇妙的思想出現，你不需要去買芯片花很多電費達到這個共識，你只要有硬盤就可以，有很大硬盤空間，可以在硬盤上預先算過的哈希值放在硬盤上，大家比我硬盤上存的隨機數跟你報出來的隨機數哪一個最接近，哪個就有投票權，這是非常高妙的想法，我覺得這是綠色的比特幣，會使得共識機制花的能量很少，因為硬盤不需要花很多錢買，這樣也使得整個共識機制更加去中心化。

我在這里做一個簡單的結論，這是一個非常新的時代，我認為區塊鏈基本上是互聯網乘上10或者乘上100的機會，但是這里的安全性非常重要，安全性是第一性原理，一定要從第一性原理思維出發，才能真正解決區塊鏈和網絡世界的安全性。

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