建行：下好先手棋，打造量子金融的“盾与矛”

部分内容来自金融电子化杂志

作者：中国建设银行首席信息官 金磐石

2020年10月16日，中共中央政治局第二十四次集体学习会议强调：“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。”2021年3月，量子信息被纳入“十四五”规划八项关键核心技术，正式上升至国家战略层面。中国人民银行近期发布的《金融科技发展规划（2022-2025年）》也明确提出，探索运用量子技术突破现有算力约束、算法瓶颈，提升金融服务并发处理能力和智能运算效率，节省能源消耗和设备空间，逐步培育一批有价值、可落地的金融应用场景。

中国建设银行响应国家与行业号召，履行大行担当，积极布局量子信息技术应用实践，探索金融行业量子信息技术应用之路。

随着金融数字化转型不断深入，算力必将成为影响各国金融基础设施发展的关键制约，由于经典计算机处理器已经接近制程极限，“量子隧穿效应”将导致经典摩尔定律失效，经典计算机处理器的算力提升也将愈加困难。为解决这一问题，各国已逐渐加大对量子计算研究与应用的投入。与经典计算机不同，量子计算机的算力随着量子比特数量的增加呈指数增长，通过对量子叠加和量子纠缠等特性的利用，量子计算机具备相当可观的并行处理能力。这就好比给工件上色，经典计算机通过流水线逐个处理，而量子计算机一次将所有工件浸没在染料当中，实现整个过程的加速。

量子计算革命给数字世界带来飞跃性提升的同时，也将给金融核心安全带来巨大挑战。通过Shor等量子算法，量子计算机能够在短时间内破解RSA、ECC等当下被金融行业广泛使用的公钥密码体系，这将给金融安全带来沉重打击。美国国家标准与技术研究院（NIST）自2016年开始，已展开了三轮抗量子加密算法的征集，并号召美国前五大银行做好后量子安全迁移计划。2021年，美国国家网络安全卓越中心发布了白皮书《为后量子密码做好准备：探索采用后量子密码算法的挑战》，详细列举了从公钥密码基础设施向后量子密码迁移的诸多挑战，并建议尽快启动抗量子安全迁移工作。

对量子安全的担忧并非杞人忧天，目前，量子计算机已逐步从原型机迈向中等规模含噪量子计算（NISQ）时代，国际竞争日趋激烈。2021年，中国科学技术大学的66量子比特处理器“祖冲之2.0”和IBM的127量子比特处理器“鹰”相继发布，迭代速度不断加快。按照IBM量子计算机路线图，将在不远的将来实现100万级量子比特，出现量子的应用将是大势所趋，量子世界“盾”与“矛”的竞争也将愈演愈烈。

麦肯锡和摩根大通等机构的多份报告均指出，金融是最有可能率先通过量子计算获益的行业之一。量子金融（即Financial-Quantum，简称Fin-Q），特指量子科技在金融行业中的应用。

根据目前的发展状况，Fin-Q的主要应用方向包括：量子安全解决方案、风险识别与计量、量子最优化问题求解、量子机器学习等，典型的应用在表1中给出。

目前包括摩根大通、高盛集团等在内的国际金融巨头均在相关方向上持续发力，探索能在NISQ时期产生实际应用价值的算法。

表1：量子金融的主要应用方向

为响应国家号召，履行大行使命担当，给行业大规模应用探寻可行路径。2020年6月，建设银行在国内金融行业率先成立量子金融应用实验室。实验室成立一年多以来，组建了专业的内部研发团队，展开对外合作，与国内外顶级量子安全、量子计算团队联合展开产品和技术研发，与中国科学技术大学等机构联合发起中国计算机学会量子计算专业组，共同推进量子信息技术生态发展，开展了一系列前瞻性研究和创新性探索。

建设银行从涉足量子科技的第一天起就坚定了打造量子金融“盾与矛”的决心，并已开展一系列前瞻性研究和创新探索。

“盾”：利用抗量子加密，增强金融核心资产安全

量子计算机的加速迭代给行业带领非对称优势的同时，也对金融核心安全带来了巨大挑战。建设银行积极评估行内密码体系面临的量子攻击风险，与国内领先的抗量子加密团队建立紧密合作关系，持续跟踪国际抗量子领域技术发展趋势，并于2019年率先提出两把锁的抗量子增强方案。即在保留现有国密体系不变的情况下，对金融数据进行第二把抗量子锁加密，这样可以在尽量减少对现有系统的冲击的同时，有效抵御量子计算攻击。

目前，建设银行已先后在新一代文件传输、监管报送等8个自有系统中率先实施了这一“两把锁”的抗量子解决方案。并于2020年向人民银行及相关部门提交了抗量子方面的研究报告。通过《抗量子密码技术金融应用标准体系研究》课题，建设银行牵头起草了金融行业的抗量子安全指南，课题获得了全国金融标准技术委员会2020年度金融标准化重点研究课题优秀奖。

“矛”：搭建量子金融云平台，共铸量子金融实用算法

量子计算的算法研究离不开算力与平台，建设银行基于多年的金融系统研发能力，依托金融云原生底座，自主研发了量子金融云平台，目前已经进入内部测试阶段。该平台具备量子线路图和在线Notebook等多种量子算法研发模式，底层算力可兼容量子模拟器与量子物理机，将为国内金融行业量子科技的发展提供有力的支撑。图1为线路可视化开发环境的界面示意。

图1：建设银行量子金融云平台量子线路图开发环境

2021年2月，建设银行携手战略合作伙伴本源量子共同发布了国内首批量子金融算法，包括“量子期权定价算法”与“量子VaR值估计算法”，形成了优于国际指标的中国方案，填补了国内量子金融领域的空白。近期，建设银行又推出了“量子贝叶斯网络算法”和“量子投资组合优化算法”，利用量子金融云平台完成了更多算法探索。

（1）量子贝叶斯网络

贝叶斯网络通过一个有向无环图进行前向或反向推断，可应用在金融流动性风险分析、企业破产分析等场景。建设银行近期实现的量子贝叶斯网络，充分利用复合量子系统基矢指数扩张等特性在量子线路上表示贝叶斯网络，从而节省运算存储资源。图2给出了一个简单的贝叶斯网络及其量子线路实现，图3给出了量子线路中存储的状态空间。

图2：一个简单的贝叶斯网络及量子线路表示

 图3：图2中量子线路存储的贝叶斯网络状态空间

（2）量子投资组合优化算法

量子近似优化算法是结合量子计算和经典计算对二进制组合优化问题求解的近似算法。建设银行近期自主研发的量子投资组合优化算法将热启动算法与投资组合模型相结合，进一步提升算法准确性。在A股市场历史数据上进行的模拟计算结果表明，量子投资组合优化算法搜索得到的资产组合方案，比经典搜索方法搜索的平均结果更优，如图4所示。

图4：在10支随机选取的股票上进行的量子投资组合优化

量子技术是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，有望引领新一轮科技革命和产业变革。金融行业是量子计算最可能率先应用的领域之一，量子技术在金融行业的开花结果值得期待。

建设银行将继续秉承国有大行的使命担当与职责，积极响应国家布局量子科技战略的号召，与金融和科技同行一道，瞄准行业共性关键技术应用难题，深化研究合作，积极推进量子金融云平台建设，共建量子金融应用产业生态，为量子信息技术在金融领域应用推广做出贡献。

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