张首晟：挖矿过程破坏去中心化，现在出现了一个非常奇妙的思想

专家档案：张首晟，中国科学院外籍院士、美国科学院院士、丹华资本创始人、斯坦福大学终身教授。2007年，他发现的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为当年的“全球十大重要科学突破”之一。基于对拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应的开创性研究，他已包揽物理界所有重量级奖项。

下文是笔者编辑整理的一篇张首晟先生近日在“安全·赢未来”2018区块链安全高峰论坛上的演讲，希望能给读者带来启发。

量子计算与区块链在矛盾中发展、共存

区块链是我一直非常感兴趣的题目，我今天想讲的正是量子计算、AI与区块链。

三星期之前，给整个谷歌全体员工做了类似的演讲。现在来看，我们整个IT行业让我总结一下的话，这三个是我们最最前沿和激动人心发展的前景，而且三者之间相互的关联才是非常值得大家关注的。

比如量子计算和区块链必然是在矛盾中发展的过程，量子计算和网络安全也是非常紧密的关系。我个人在量子计算领域做了一些工作，我简单介绍一下。

我最近做的科学发现叫天使粒子，往往一些科学发现都跟深刻的哲学理念相关。我们似乎生活在对立的世界里，有正数必然有负数，有存款必有负债，有阴必有阳，有善必有恶，有天使必有恶魔。这在基本物理世界里有个同样的对应，那就是在1928年的时候，一位伟大的物理学家狄拉克，根据哲学的原因把爱因斯坦狭义相对论和量子力学统一的时候发现了著名的狄拉克方程。

狄拉克方程预言的是，在自然界所有粒子必然有反粒子，但是当时世界根本不知道什么是反粒子，所以大家都嘲笑他，说他这个结论不对。他讲了一句话，他说我的方程太美丽了，你们继续找下去吧。

五年之后，大家在宇宙射线辐射的时候找到了反粒子。正电子在日常当中被应用，比如医学检测其中有一项是PET，就是电子的反粒子，叫正电子。

反粒子的存在不只是在真正的生活中有所应用，也给好莱坞带来广泛的想象。大家可能都看过一部电影叫《达芬奇密码》，后续的一部叫《天使与魔鬼》，就是说正电子和负电子、正粒子和反粒子之间的淹没有点像天使和魔鬼的争斗。电影里讲了一帮恐怖分子想把反粒子偷出来，他们用了100万分之一克反粒子爆炸后产生的能量，相当于5吨的TNT。

大家认为这是宇宙永恒不变的真理，有粒子必然有反粒子。有一位物理学家很好奇，是意大利的科学家Majorana，整整80年以前做了完全新的猜想——有一种粒子存在，并没有反面，他就是反粒子。

从此之后在整个物理学界有一个大家梦寐以求的名单，大家想找到这些粒子。比如2012年在欧洲粒子加速中心，一个长期被期待和预言的粒子被发现，叫希格斯粒子。这是物理学界重大的发现，后来过了几年就获得了诺奖。

我们梦寐以求的名单当中也有引力子、瓷单极、暗物质和Majorana费米子，而Majorana费米子和别的梦寐以求的名单中的粒子不一样，除了粒子本身非常奇妙使得大家梦寐以求想寻找之外，意大利人Majorana本人也非常神秘。写下这篇文章之后没有几个月，他就到了一个港口上了船，本来想去细细里岛，但是再也没有出现。这成为整整80年的迷，他的粒子是不是存在，他本人到底发生了什么？

2010—2015年期间，我的理论小组精准的告诉大家，在过去80年之内大家都找不到这个粒子，Majorana只是一个猜想，说不定自然界存在这种粒子，但是并没有告诉大家去哪儿寻找，就像他本人一样神秘。但是在2010年，我的理论小组精准预言了在哪个实验系统，并且用什么样的信号可以找到Majorana费米子。

往往一些比较深刻的科学发现用最简单的语言可以解释得通，比如通常的粒子就像硬币，有正面有反面，但是这个Majorana费米子只有一面，没有反面。所以某种意义上Majorana费米子是通常粒子的一半，如果是通常粒子的一半，在某些性质上也会有所体现。

那么，通常粒子在电导过程中的量子化要么是0，要么是1，要么是2，都是整数的台阶。我们理论小组大胆的预言了，如果有这种天使粒子存在，就会导致半整数的平台。就在去年，我记得是7月份，我们的理论小组在斯坦福和UCLA、UC Davis UC lrvine紧密合作，真正是在实验条件下首次在0.5的地方发现，也是提供了天使粒子存在的最强有力的证据。

在那个激动人心的时代，我们做科学家的乐趣是追求梦想，但是作为科学家也是会有非常独特的喜乐——就像我们生了自己的孩子一样，可以给孩子取名字，我们作为科学家有重大科学发现，也可以给发现的粒子或者概念取名字。当时我就想起我当年非常喜欢看这本小说，也很喜欢看这个电影《天使与魔鬼》，所以向媒体界宣布这么一个消息，我们找到了一个绝妙的天堂，那里只有天使没有魔鬼。

但是这个跟我想说的有什么关系？就是整个网络安全和非常神秘的天使粒子的发现到底有什么关系？今天网络上所有安全的协议都是建筑在最基本的数论概念上，比如今天在网站上看新闻，我们仔细看上面的标题写的是HTTP，但是如果要去淘宝网买东西，马上就会变成HTTPS，这个S就是我们今天讲的安全。

这个安全是建筑在什么算法上呢？就是建筑在RSA的算法，RSA算法跟安全什么关系？它是特殊的加密办法，是建筑在数论的基本概念上，如果我们取任何一个自然数，比如我们看15和11差别在哪？大家显然知道，15可以写成3×5，但是11写不成两个数的乘积，最多只能写成1×11，这不算。这种特殊情况不算的话，就是15和11有本质的差别。我如果告诉你一个很大很大的数，你很难区别到底是术数还是复合数，是两个更小的术数的乘积，还是它自己本身是一个术数。所以整个网络的安全就是在建筑这么一个数学原理上，这种判断非常耗时间。

如果我们把它看成数学问题，经典的计算机只能用穷取法找到这个数是术数还是复合数，比如把这个数先除2再除3等等，看被整除时才知道，所以经典计算机做很多计算都是一步一步的，用穷尽法用很多时间。

但是如果来到量子的世界里，这是一个非常神奇的世界——一个粒子可以在同一时间穿过两个孔，所以量子的世界是平行的。而如果建筑在这个原理上，能不能构成新的量子计算机？

经典的计算机最基本的信息存储单位叫1比特，这个比特要么是0要么是1，但是量子世界如果一个基本粒子同一时间能够同时穿过两个孔，我们这个量子比特也可以成为0和1之间叠加的状态。

一旦能够达到这种状态我们就能有量子计算机，有了量子计算机就可以把本来需要很长时间才能做得出来的数论题很快地做出来。但是量子比特非常非常脆弱，为什么量子计算机人人都在讲，但是我们用的数论协议还是安全，主要是量子计算机非常难造出来。现在美国的大公司都在大力的投资要造量子计算机，就是希望达到这种平行计算的可能，但是由于量子比特非常非常的脆弱，大家现在还没有真正把量子计算机有效地造出来。

我的科学发现是天使粒子的发现，就是在核心上改变了这个问题。通常的量子计算机如果有一个量子比特需要10—20个纠错的量子比特为他服务，显然没有拓展性，如果有一天我号称自己造了50个量子比特而其中可能只有两个可以用，但是有了天使粒子发现之后是非常奇妙的，每个量子比特就不需要另外再纠错，因为它自带纠错的功能，所以我们这个是非常轰动的发现。因此，通过这个发现可能整个量子计算机的步伐会快速的往前进行。

在这个之后我们再谈到第二个题目就是AI。

AI会为区块链技术安全方面带来重大影响

我们人类进化了差不多10万年，现在终于有一个新的可能的智力的产生。在过去的10万年人类显然是整个地球上最聪明、最有资历的动物。但是现在AI的产生好像对我们自己的智力也有一个挑战，AI之所以在今天这个世界会有突飞猛进的发展，主要有几个原因：

第一，计算能力按照摩尔定律每过18个月翻一倍，我们量子计算机发明之后这个不仅是量变，而且是质变。

第二，海量数据产生，而且有非常精妙算法的产生。现在整个人类的AI发展似乎还是在非常简单的仿生的阶段，如果做一个比喻，我们人类看到鸟飞带来了很大的灵感，我们想自己能不能像鸟一样飞，所以我们首先想到的是在自己手臂上放两个翅膀，这个结果当然不太好，但是最终我们理解了后面的数学原理，就是空气动力学，使得我们造出大飞机，飞得又高又快，但是并不一定像鸟一样飞，这是给我们很大的启示，我们AI并不一定像人才是牛，但是会有个客观的根据来判断AI哪一天是不是像人一样的聪明。

我现在讲非常值得大家关注的，区块链。区块链和AI会不会有非常奇妙的结合？我刚才讲了区块链和量子计算可能有矛盾的存在，但是和整个AI我觉得是可以成为互助的产生。

AI所需要的是三块，1）计算能力的指数级增长；2）海量数据的产生；3）算法。但是那个海量数据的产生是我们现在最稀缺的，因为现在我们整个社会对数据的拥有权非常模糊，在这些中央垄断的平台上用了他们的服务，但是过程中却把我们自己最隐私的数据暴露出来，一旦有了区块链之后第一可以做的事情就是八个人的数据完全隐私的保护起来，但是这样还不够，如果把个人数据完全个人拥有，一点不跟大家分享的话，必然也不能通过大数据的学习使得AI更加往前走一步。

所以，在这个时候会有一个非常奇妙的数学算法产生，又能保护你的隐私，又能达到集体的智慧。我把今后整个人类金融和数据市场的发展用一句话来描述叫In math we trust，就是我们的信任机制可以完全建筑在数学上。

这也是使得作为一个科学家觉得区块链是特别有意思的学问，因为里面又需要深刻的数学，又需要跟经济行为紧密结合，刚才已经讲了整个加密的系统是建筑在数论因子分解定论上，并且有了哈希函数，很难找到哈希值，但是一旦找到之后容易被验证，这是区块链的核心思想。

区块链+AI产生伟大的效率必然需要下面的几个数学理论，其中有一个叫零知识的证明。比如我解了一个非常难解的题，我想告诉你我已经解了这个题，只想给你一个比特的信息，并不想把我解题的内容告诉你，我把我的答案完全公布给你看，你马上知道我到底有没有解，但是又会造成一个问题就是给你的信息太多。所以现在，整个这个领域需要的数学理论，就是能够保护隐私又能做计算，我能给出你一个比特的信息，就是我把这个题解了，但是不能把解的答案告诉你。

另外，加密经济也会使整个社会更加公平，现在社会带来最大的不公平就是对少数派的歧视。但是一旦有了数据市场这个概念之后，会使得我们的社会变得更加公正。为什么呢？

比如刚才讲AI最需要数据，但是需要哪一类数据，比如现在AI算法算到90%精准，我要更上一步提高到99%，我需要的数据肯定跟我以前学的数据越不像越好，就是那些非常少数的算例。这样我学习到新的数据，马上就会想到跟以前不像的那些少数派拥有的数据，我会给它更大的比例，使得AI变得更加聪明。

在这样的世界里少数派会得到更多的重视，就好像丑小鸭变成美天鹅，因为丑小鸭并不是它本身丑，而是它跟别人不一样，在数据市场产生的那个时代也会使社会变得更加公平，所以数据市场也是区块链很大的一块，今天的一位嘉宾李俊先生，他们就是专门做整个底层的架构，用上我刚才讲的那些数学理论，把它真正建成能够保护个人隐私的系统。

区块链会给AI带来海量的数据，既能保护个人的隐私，又能学习到集体的智慧，反过来也是一样，通过AI也能给区块链上的安全带来重大的影响，在这个情况下的确需要AI在整个区块链过程中和学习过程中把安全问题解决。

网络世界，“分久必合、合久必分”

整个区块链上大家经常会问一个问题，我们共识机制当然是非常重要，但是达到这个共识是指一定要付出某些代价。

从物理学的语言来讲，达到共识是熵减的过程，但是整个宇宙的熵会增加。现在比特币需要烧掉一些能量还是比较自然的现象，因为总的熵在增加，我们达到共识时会减，必然会排出熵。我并不是说比特币达到下限，在这个领域另外一个非常好的学术问题，就是达到一个单位共识的情况下要烧掉多少熵，花费多少的资源或者多少的能源，所以并不能说比特币现在就达到了这个下限，我的理论是说它必然消耗一些资源，当然消耗的资源越少越好。

再回到跟安全问题有关的，由于不只是消耗了一些能量，并且使得挖矿的矿工大家聚集在一起，一旦聚集在一起，本来去中心化的理念就破坏了。所以，我觉得整个网络的世界处在分久必合、合久必分的循环，本来区块链是去中心化，但是大家挖矿过程中又变得中心化。

现在有个非常奇妙的思想出现，你不需要去买芯片花很多电费达到这个共识，你只要有硬盘就可以，有很大硬盘空间，可以在硬盘上预先算过的哈希值放在硬盘上，大家比我硬盘上存的随机数跟你报出来的随机数哪一个最接近，哪个就有投票权，这是非常高妙的想法，我觉得这是绿色的比特币，会使得共识机制花的能量很少，因为硬盘不需要花很多钱买，这样也使得整个共识机制更加去中心化。

我在这里做一个简单的结论，这是一个非常新的时代，我认为区块链基本上是互联网乘上10或者乘上100的机会，但是这里的安全性非常重要，安全性是第一性原理，一定要从第一性原理思维出发，才能真正解决区块链和网络世界的安全性。

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