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知識(shí)分子

The Intellectual

Charles H. Bennett（左）和Gilles Brassard（右）。圖源：A. M. Turing Award

撰文｜邸利會(huì)

責(zé)編｜李珊珊?

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昨日，美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（ACM）宣布了 2025 年的 ACM A.M. Turing Award（圖靈獎(jiǎng)）獲得者：Charles H. Bennett（查爾斯·貝內(nèi)特）與 Gilles Brassard（吉勒·布拉薩德），以表彰他們?cè)诘於孔有畔⒖茖W(xué)基礎(chǔ)以及變革安全通信與計(jì)算方面所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

ACM 圖靈獎(jiǎng)，通常被稱為“計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)”，獎(jiǎng)金為 100 萬美元，由谷歌公司提供資金支持。該獎(jiǎng)項(xiàng)以英國(guó)數(shù)學(xué)家艾倫·M·圖靈的名字命名，他闡明了計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

貝內(nèi)特和布拉薩德被廣泛認(rèn)為是量子信息科學(xué)的創(chuàng)始人，量子信息科學(xué)是物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉領(lǐng)域的一個(gè)分支，它將量子力學(xué)現(xiàn)象視為處理和傳輸信息的資源，而不僅僅是物質(zhì)的屬性。

快速發(fā)展的量子計(jì)算有望提供比現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)更快的計(jì)算能力，是目前學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的一個(gè)研究重點(diǎn)；而量子密碼被認(rèn)為可以提供一個(gè)更為安全的通訊方式，而這正是貝內(nèi)特和布拉薩德的一個(gè)重要研究方向。

1979年，當(dāng)貝內(nèi)特和布拉薩德開始合作時(shí)，誰也沒有預(yù)想到量子通信會(huì)有如此的發(fā)展。當(dāng)時(shí)，量子物理和計(jì)算機(jī)科學(xué)是分離的兩個(gè)學(xué)科，任何連接這兩個(gè)領(lǐng)域的交叉研究可以說都處于非主流和邊緣的地位。如今，發(fā)端于基礎(chǔ)科學(xué)的量子密碼和通信已經(jīng)成為一門全新的技術(shù)并已經(jīng)可以商業(yè)化，成就一個(gè)新的市場(chǎng)。

“他們的主要科學(xué)貢獻(xiàn)相當(dāng)于是奠基了量子信息這個(gè)研究領(lǐng)域。也可以進(jìn)一步講，就是我們現(xiàn)在所從事的量子信息研究，無論是理論還是實(shí)驗(yàn)，都是主要基于他們的方案。比如我們發(fā)射的墨子號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的就是量子密碼，我們現(xiàn)在所做的量子計(jì)算里面也用到了很多量子隱形傳態(tài)的理論，并且如果要實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算機(jī)，那么量子糾錯(cuò)就是其中最重要的組成部分之一?！?中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授徐飛虎告訴《知識(shí)分子》。

現(xiàn)年83歲的貝內(nèi)特是美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)員，也是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。2017年，他獲得了ICTP的狄拉克獎(jiǎng)?wù)隆?018年，貝內(nèi)特和布拉薩德共同獲得了素有諾貝爾獎(jiǎng)前哨之稱的沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)，也是因此，兩人幾乎之后的每年都出現(xiàn)在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的預(yù)測(cè)榜單上。2019年，貝內(nèi)特和布拉薩德共同斬獲墨子量子獎(jiǎng)。此番斬獲圖靈獎(jiǎng)，他們的工作可以說已獲得物理學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)兩大領(lǐng)域最高榮譽(yù)的雙重認(rèn)證。

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十年后，人們才意識(shí)到這他們的研究會(huì)威脅到整個(gè)密碼系統(tǒng)

貝內(nèi)特于1943年出生于紐約市，他的父母是音樂教師。1964年，貝內(nèi)特獲得布蘭迪斯大學(xué)化學(xué)學(xué)士學(xué)位，1971年獲得哈佛大學(xué)博士學(xué)位，那時(shí)是在 David Turnbull 和 Berni Alder 督導(dǎo)下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)研究。在哈佛大學(xué)的時(shí)候，他還作為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者之一James Watson工作了一年，擔(dān)任遺傳密碼的助教。

之后，他在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ Argonne Laboratories）做博士后，從事計(jì)算統(tǒng)計(jì)物理的研究。1972年，他加入了IBM Research。之后，在 IBM 的 Rolf Landauer 工作的基礎(chǔ)上，他表明通用計(jì)算可以通過邏輯以及熱力學(xué)可逆的設(shè)備來執(zhí)行。1982年，他提出了對(duì)麥克斯韋妖的重新解釋，認(rèn)為因?yàn)槠茐亩皇谦@得信息的熱力學(xué)成本，無法打破熱力學(xué)第二定律。他還發(fā)表了一篇關(guān)于估算兩個(gè)系統(tǒng)之間自由能差異的重要論文，提出貝內(nèi)特接受率方法。

1984年，貝內(nèi)特與布拉薩德合作開發(fā)了稱為BB84（Bennett-Brassard 1984）的量子加密系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于量子不可克隆原理，允許在最初不共享秘密信息的各方之間進(jìn)行安全通信。

這樣一個(gè)系統(tǒng)基于量子物理的法則，即使破解者擁有量子計(jì)算的資源也不能夠讀取，可以讓加密和傳輸信息更為安全。貝內(nèi)特與布拉薩德利用了量子世界中的一種奇怪現(xiàn)象：疊加（superposition）。簡(jiǎn)言之，疊加可以使單個(gè)粒子同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)或多個(gè)位置。量子理論認(rèn)為，一旦有人觀察此粒子，這種雙重狀態(tài)就會(huì)消失，意味著之后該粒子只出現(xiàn)在一個(gè)位置或者另外一個(gè)位置。那么，如果這個(gè)粒子是在傳輸過程中，那么任何企圖破解的行為都會(huì)破壞它的疊加態(tài)，同時(shí)刻提醒對(duì)話者有人在“干壞事”。

在 John Smolin 的幫助下，貝內(nèi)特在1989年首次成功的進(jìn)行了世界上第一個(gè)量子密碼學(xué)的演示。

“量子信息是通過觀察（observation）而分發(fā)，無法拷貝。布拉薩德和我意識(shí)到，這可以有發(fā)送信息方面的實(shí)際用途，在這當(dāng)中，發(fā)送方和接受方可以立即知道是不是有人在竊聽。這其實(shí)就是量子密匙分發(fā)或量子密碼學(xué)?！?貝內(nèi)特曾解釋道。

剛開始，貝內(nèi)特與布拉薩德工作的重要性并沒有被科學(xué)界很快認(rèn)識(shí)到。直到十年之后，其重要性開始顯現(xiàn)。因?yàn)閿?shù)學(xué)家彼得·秀爾（Peter Shor）發(fā)現(xiàn)假想的量子計(jì)算機(jī)將使支撐了當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)通信隱私和安全的傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)很快失效，而量子密碼學(xué)將是保持通信安全的唯一手段。

“秀爾發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)（如果可以建造的話）將徹底破壞保護(hù)互聯(lián)網(wǎng)通信的加密基礎(chǔ)設(shè)施，然而，我們創(chuàng)建BB84系統(tǒng)比他的發(fā)現(xiàn)早十年。所以，當(dāng)秀爾（宣布量子計(jì)算機(jī)將）摧毀一切之后，我們工作的重要性變得更加顯著，這有點(diǎn)好笑，因?yàn)樵?984年，從量子理論出發(fā)導(dǎo)致了機(jī)器間傳輸中最安全的系統(tǒng)?？墒旰螅宋覀兊模ㄏ到y(tǒng)），同樣的量子理論挑戰(zhàn)了所有已經(jīng)發(fā)明的密碼系統(tǒng)！” 布拉薩德曾回憶。

秀爾本人則是這樣解釋自己的貢獻(xiàn)：“當(dāng)前的密碼系統(tǒng)取決于分解質(zhì)因數(shù)很難。如果你能快速分解數(shù)字，你就可以破解當(dāng)今系統(tǒng)的所有密碼。我展示的是量子計(jì)算機(jī)可以相當(dāng)快地分解大數(shù)。當(dāng)然，目前實(shí)際上還沒有人建造一臺(tái)足夠大的量子計(jì)算機(jī)來分解這些數(shù)字，可能還得再等上幾年或幾十年的時(shí)間?！?/p>

量子密碼學(xué)之外，1993年，貝內(nèi)特和布拉薩德與其他人合作，發(fā)現(xiàn)了 “量子隱形傳態(tài)”，將未知量子態(tài)中的完整信息分解為純粹的經(jīng)典信息和純粹的非經(jīng)典的Einstein–Podolsky–Rosen（EPR悖論）相關(guān)性，通過兩個(gè)單獨(dú)的通道發(fā)送，然后在新位置重新組裝，精確復(fù)制在發(fā)送過程中被破壞的原始量子狀態(tài)。

1995年至1997年，他與Smolin，Wootters，DiVincenzo和其他合作者合作，介紹了幾種通過噪聲通道忠實(shí)傳輸經(jīng)典和量子信息的技術(shù)，這是量子信息和計(jì)算理論的更大領(lǐng)域的一部分。他還與其他人一起介紹了糾纏蒸餾的概念。

文章轉(zhuǎn)載自“知識(shí)分子”微信公眾號(hào)