2025圖靈獎(jiǎng)揭曉：兩位科學(xué)家如何用量子力學(xué)重寫密碼學(xué)規(guī)則

2025年3月，計(jì)算機(jī)科學(xué)界迎來了一則重磅消息：美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）將2025年圖靈獎(jiǎng)授予了兩位科學(xué)家——IBM研究院的Charles H. Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Gilles Brassard。這個(gè)被譽(yù)為"計(jì)算機(jī)界諾貝爾獎(jiǎng)"的獎(jiǎng)項(xiàng)，獎(jiǎng)金高達(dá)100萬美元，由Google贊助。

他們的獲獎(jiǎng)理由是：在量子信息科學(xué)和量子密碼學(xué)領(lǐng)域做出了奠基性工作，徹底改變了我們對(duì)安全通信和計(jì)算的理解。

一個(gè)瘋狂的想法：用量子力學(xué)來保護(hù)秘密

讓我們把時(shí)間撥回到1984年。那時(shí)候，互聯(lián)網(wǎng)還處于萌芽階段，個(gè)人電腦剛剛進(jìn)入家庭，而這兩位科學(xué)家卻在思考一個(gè)聽起來近乎科幻的問題：能不能用量子力學(xué)的原理來加密信息？

要知道，量子力學(xué)在當(dāng)時(shí)主要是物理學(xué)家的領(lǐng)域，研究的是微觀粒子那些奇奇怪怪的行為——比如一個(gè)粒子可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，觀察它的時(shí)候它會(huì)"坍縮"成某個(gè)確定狀態(tài)。這些概念聽起來玄之又玄，跟日常生活中的密碼學(xué)似乎八竿子打不著。

但Bennett和Brassard敏銳地意識(shí)到，量子力學(xué)有一個(gè)至關(guān)重要的特性：任何對(duì)量子系統(tǒng)的測量都會(huì)不可避免地干擾這個(gè)系統(tǒng)。這意味著，如果有人試圖竊聽一條用量子態(tài)傳輸?shù)男畔ⅲ厝粫?huì)在信息上留下痕跡。

基于這個(gè)洞察，他們提出了著名的BB84協(xié)議——這是世界上第一個(gè)實(shí)用的量子密碼學(xué)協(xié)議。

BB84協(xié)議：物理學(xué)定律做保鏢

BB84協(xié)議的核心思想非常巧妙。想象Alice想給Bob發(fā)送一條秘密消息，她可以這樣做：

首先，Alice準(zhǔn)備一串光子，每個(gè)光子都處于某種特定的量子態(tài)。她隨機(jī)選擇不同的"基底"來編碼這些光子——可以簡單理解為不同的"語言"來書寫信息。

然后，Bob收到這些光子后，也隨機(jī)選擇基底來測量它們。由于量子力學(xué)的特性，如果Bob選擇了和Alice相同的基底，他就能正確讀出信息；如果選錯(cuò)了，結(jié)果就完全隨機(jī)。

關(guān)鍵在于第三步：Alice和Bob通過一條公開通道比對(duì)他們的基底選擇，只保留那些使用了相同基底的部分。這樣，他們就得到了一串只有兩人知道的密鑰。

現(xiàn)在，假設(shè)有個(gè)竊聽者Eve試圖攔截這些光子。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，Eve測量光子的行為必然會(huì)改變光子的狀態(tài)。當(dāng)Alice和Bob比對(duì)結(jié)果時(shí)，他們就會(huì)發(fā)現(xiàn)異常——某些應(yīng)該一致的地方出現(xiàn)了錯(cuò)誤。這就像有人在偷看時(shí)留下了指紋，立即就會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

這種安全性不是基于數(shù)學(xué)難題的計(jì)算復(fù)雜度，而是基于物理學(xué)的基本定律。即使竊聽者擁有無限的計(jì)算能力，甚至擁有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，也無法在不被發(fā)現(xiàn)的情況下竊取密鑰。

量子隱形傳態(tài)：超越科幻的現(xiàn)實(shí)

Bennett和Brassard的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不止于此。1993年，他們與其他合作者一起提出了"量子隱形傳態(tài)"的概念——這聽起來像是《星際迷航》中的傳送裝置，但實(shí)際上是一種利用量子糾纏來傳輸量子態(tài)的技術(shù)。

量子糾纏是量子力學(xué)中最神奇的現(xiàn)象之一：兩個(gè)粒子可以處于一種特殊的關(guān)聯(lián)狀態(tài)，無論它們相距多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的測量會(huì)立即影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。愛因斯坦曾稱之為"幽靈般的超距作用"，對(duì)此深感不安。

Bennett等人證明，利用量子糾纏和經(jīng)典通信，可以將一個(gè)粒子的量子態(tài)"傳送"給另一個(gè)遙遠(yuǎn)的粒子，而不需要物理地移動(dòng)這個(gè)粒子本身。這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅具有深遠(yuǎn)的理論意義，也為未來的量子網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就授予了驗(yàn)證相關(guān)量子現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，而這些實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)正是Bennett和Brassard的工作。

為什么這項(xiàng)研究如此重要？

你可能會(huì)問：這些聽起來很高深，但跟我有什么關(guān)系？

關(guān)系大了。我們今天使用的互聯(lián)網(wǎng)加密系統(tǒng)——保護(hù)你的網(wǎng)銀密碼、聊天記錄、電子郵件的系統(tǒng)——大多基于一種叫做"公鑰密碼學(xué)"的技術(shù)。這些系統(tǒng)的安全性依賴于某些數(shù)學(xué)問題的計(jì)算難度，比如大整數(shù)的因數(shù)分解。

問題在于，1994年數(shù)學(xué)家Peter Shor證明，如果有一臺(tái)足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，這些數(shù)學(xué)難題可以被快速破解。這意味著，一旦量子計(jì)算機(jī)成熟，今天的大部分加密系統(tǒng)都將變得不安全。

而Bennett和Brassard的量子密碼學(xué)提供了一條出路。BB84協(xié)議的安全性不依賴于計(jì)算假設(shè)，而是基于量子力學(xué)的物理定律。即使面對(duì)量子計(jì)算機(jī)，它依然是安全的。

目前，BB84協(xié)議的變種已經(jīng)在全球多個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò)中投入使用，包括通過光纖和衛(wèi)星進(jìn)行的自由空間通信。中國、美國、歐洲都在積極建設(shè)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施，而這些技術(shù)的核心都源于1984年那篇開創(chuàng)性的論文。

兩位獲獎(jiǎng)?wù)叩墓适?/strong>

Charles H. Bennett是一位美國物理學(xué)家，1973年加入IBM研究院后一直在那里工作至今。他的研究橫跨物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，包括熱力學(xué)、量子力學(xué)、密碼學(xué)、計(jì)算復(fù)雜性等。他曾獲得沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)、墨子量子獎(jiǎng)、突破獎(jiǎng)等多項(xiàng)殊榮，是美國國家科學(xué)院院士和英國皇家學(xué)會(huì)外籍院士。

Gilles Brassard是加拿大計(jì)算機(jī)科學(xué)家，被公認(rèn)為世界上第一個(gè)深入研究量子信息科學(xué)的學(xué)者。他于1979年在康奈爾大學(xué)獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師是1986年圖靈獎(jiǎng)得主John E. Hopcroft。此后他一直在蒙特利爾大學(xué)任教，曾擔(dān)任加拿大量子信息科學(xué)研究主席。他也是加拿大勛章和魁北克國家勛章獲得者，英國皇家學(xué)會(huì)院士和美國國家科學(xué)院外籍院士。

兩人的合作跨越了四十多年，將物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)這兩個(gè)原本相距甚遠(yuǎn)的領(lǐng)域緊密聯(lián)系在一起。他們的工作不僅催生了量子密碼學(xué)這個(gè)全新領(lǐng)域，還影響了算法設(shè)計(jì)、計(jì)算復(fù)雜性、學(xué)習(xí)理論、交互式證明、數(shù)學(xué)物理等多個(gè)研究方向。

量子時(shí)代的序幕

2025年被聯(lián)合國定為"國際量子科學(xué)與技術(shù)年"，全球各國都在加大對(duì)量子計(jì)算、量子通信和量子傳感技術(shù)的投資。而許多今天雄心勃勃的量子技術(shù)項(xiàng)目，其概念基礎(chǔ)都可以追溯到Bennett和Brassard的理論突破。

從1984年那篇看似天馬行空的論文，到今天正在建設(shè)的量子互聯(lián)網(wǎng)，這段旅程展示了基礎(chǔ)研究的巨大力量。有時(shí)候，最抽象的理論可以孕育出改變世界的技術(shù)；有時(shí)候，一個(gè)看似瘋狂的想法，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，最終會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

Bennett和Brassard獲得圖靈獎(jiǎng)，不僅是對(duì)他們個(gè)人貢獻(xiàn)的認(rèn)可，也是對(duì)整個(gè)量子信息科學(xué)領(lǐng)域的肯定。在這個(gè)量子時(shí)代的大幕正在徐徐拉開之際，我們或許正在見證計(jì)算和通信方式的又一次根本性變革。

來源: ACM官方公告 / @TheOfficialACM