3月18日，美國計算機協(xié)會（ACM）宣布，加拿大學者吉勒斯·布拉薩德（Gilles Brassard）和美國學者查爾斯·本內(nèi)特（Charles H. Bennett）獲得2025年度圖靈獎，以表彰他們“建立量子信息科學基礎(chǔ)以及變革安全通信與計算方面所發(fā)揮的關(guān)鍵作用 (for their essential role in establishing the foundations of quantum information science and transforming secure communication and computing)”。

ACM A.M.圖靈獎通常被稱為“計算領(lǐng)域的諾貝爾獎”，該獎項的名稱取自闡明計算數(shù)學基礎(chǔ)的英國數(shù)學家阿蘭·圖靈（Alan M. Turing）。作為計算機科學領(lǐng)域的國際最高榮譽獎項，此次圖靈獎頒發(fā)給兩位量子信息科學領(lǐng)域的先驅(qū)學者，充分體現(xiàn)量子通信與量子網(wǎng)絡(luò)的重要價值已經(jīng)得到了國際計算機與信息科學領(lǐng)域的廣泛認可和高度重視。

Charles H. Bennett與Gilles Brassard的開創(chuàng)性工作從根本上改變了信息安全的格局，并且建立了量子密碼學的科學基礎(chǔ)。如同本次圖靈獎的介紹中所述，“量子密碼學，連同新興的經(jīng)典方法（即后量子密碼，PQC）——盡管該方法尚未有安全性證明，代表了未來幾十年保障數(shù)字通信安全的途徑之一。”量子密碼學是怎么來的？量子通信到底是怎么一回事？一篇漫畫帶你解讀。

在 1960 年代，有一個名叫威斯納（ Stephen Wiesner ）的本科生，他在美國布蘭蒂斯大學上學時，就開始對量子物理學產(chǎn)生了濃厚的興趣。一般的本科生學了量子物理學以后，通常也就是放幾句“將來我要拿諾貝爾獎”的狂言，然后灰溜溜地畢業(yè)滾蛋。但威斯納與眾不同，他學會量子物理學后，忽然想到一個能發(fā)財?shù)狞c子！

原來，在量子物理學中有一個奇怪的定理，叫作“量子不可克隆定理”。它的意思是說，如果你制造了一個量子態(tài) X ，并且對外界保密，那么任何人都不可能像我們用 Ctrl + C 、Ctrl + V 那樣，克隆一個跟它一模一樣的量子態(tài)出來。

知道了這個原理后，威斯納忽然想到一個辦法，可以把它應用到實際生活中。威斯納想，市面上不是有很多假鈔嗎？如果我制造一種量子鈔票，像打水印一樣往每張鈔票放入不同的秘密的量子態(tài)，別人豈不是永遠也無法偽造或復制了嗎？

但是，你可能會問了，既然偽造者復制不了量子態(tài)，那他能不能測量一下其中一張鈔票中的量子態(tài)是什么，然后照著測量的結(jié)果仿造一大堆偽鈔呢？答案是不能。這是因為在量子力學中，還有一個奇怪的原理，叫作“測不準原理”。也就是說，任何偽造者都不可能只測一次，就準確測出量子態(tài)的全部特征來。

更加奇怪的是，量子態(tài)還有個毛病，叫做“只能測一次”。不論是誰，只要對任何一個量子態(tài)做一次測量，那個量子態(tài)就會瞬間坍縮，徹底變成另外一個狀態(tài)。所以，如果第一次沒測準，那么永遠也不會有第二次機會了。所以，如果威斯納設(shè)想的量子鈔票真的能夠?qū)崿F(xiàn)，那么只要量子物理學沒有被推翻，它就真的可以從物理上實現(xiàn)“不可偽造”、“不可復制”的愿望。

當然，威斯納后來并沒有發(fā)財。因為他的設(shè)想只是在原理上可行，在技術(shù)上還實現(xiàn)不了。威斯納想，發(fā)不了財沒關(guān)系，發(fā)篇論文應該是妥妥的。于是，威斯納把他的理論寫成了一篇論文，投給了 IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）的一家期刊，結(jié)果卻慘遭拒絕。原因也很好理解，IEEE的那份期刊從編輯到審稿人都是搞信息科學的，根本看不懂這篇寫滿了量子物理學符號的論文。

在挫折面前，威斯納并沒有對自己的理論失去信心。俗話說的好，是金子總會發(fā)光！他立志一定要讓世人知道他的理論。于是，威斯納只要逮到機會，就會宣傳自己的“量子鈔票”理論，結(jié)果遭受了更多挫折！

幸好，威斯納有個好基友，叫作本奈特（ Charles Bennett ），當時在哈佛讀研究生。于是，威斯納就去波士頓找本奈特，把自己的這個想法告訴了他。別人可以不懂威斯納，但是本奈特不可能不懂威斯納。

聽了“量子鈔票”的理論，本奈特大為贊嘆。于是，作為好基友，他只要逮到機會，便向他人介紹威斯納的理論。只是在當時，面對如此超前的理論，回應者始終是寥寥無幾。

就這樣過去了十幾年，直到 1979 年。

當時，加勒比海的一個島國叫波多黎各正在舉辦一場信息科學的國際會議。由于波多黎各是著名的海濱度假圣地，在會議期間，科學家們總會忙里偷閑，跳到大海里暢游一番。

有一天，一位叫布拉薩德的博士生（ Gilles Brassard ）正在海里游泳，忽然，他發(fā)現(xiàn)有一個人迎面向他游過來，越來越近，越來越近，然后……

經(jīng)過一通海聊，布拉薩德終于搞清楚了。對面的這個人不是壞人，而是在他讀過的一篇文章中講到的一個科學研究的作者本人，叫本奈特。

當然啦，本奈特也不是隨便搭訕他的。布拉薩德曾經(jīng)在國際會議上要做了一個報告，內(nèi)容是“相對密碼學”。本奈特覺得這人肯定會對“量子鈔票”理論感興趣，所以特地游過來搭訕他。

布拉薩德和本奈特兩個年輕科學家一見如故。他們的思想經(jīng)過劇烈碰撞后，很快發(fā)現(xiàn)，用“量子鈔票”的理論造鈔票雖然不行，但是可以往密碼學上面套?。∷麄冞B忙潛心研究，在 1982 年時合寫了一篇論文，向世人介紹了一個新的理論，叫作 “量子密碼學” 。于是，在量子物理學誕生 82 年后，它和傳統(tǒng)密碼學的結(jié)晶，量子密碼學問世了。

不過，跟“量子鈔票”理論一樣，布拉薩德和本奈特一開始提出的 “量子密碼學” 方案，也有一個明顯不實用的地方。他們的初衷看起來很好，“用量子態(tài)來儲存關(guān)鍵信息”，可是，在 70、80 年代時，人們最擅長操縱的量子態(tài)是在真空中永遠以光速飛行的光子。想想看，你能把光子儲存在口袋里，需要用的時候再拿出來用嗎？

光子就是用來傳播信息的，怎么能儲存在口袋里呢？于是，布拉薩德和本奈特靈機一動想到，既然光子不適合儲藏，只適合傳播，那我們干嘛不發(fā)揮它的特長，讓它來傳遞某種“不可偽造”、“不可復制”的重要信息呢？

就這樣，在 1983 年，布拉薩德和本奈特又提出了一個新的理論。在這個理論中他們證明，科學家可以用光子形成的量子態(tài)，傳輸一組任意長的隨機密鑰。這個密鑰非常安全，發(fā)送者和接收者可以放心地用它來加密或解密一段信息。不用擔心竊聽，不用擔心偽造，因為量子物理學中的“測不準原理”和“不可克隆定律”，保證了它的完全性。這個理論就是后來支撐了量子密碼學半邊天的量子密鑰分發(fā)。

有趣的是，布拉薩德和本奈特在為他們的理論投稿時，只能把長篇大論縮寫成寥寥幾句話，因為他們瞄準的 1983 年度頂級信息論會議 ISIT 只接受“論文摘要”。

俗話說得好，在家靠父母，出門靠朋友。布拉薩德也有一個好基友，叫作巴爾加瓦（ Vijay Bhargava ）。巴爾加瓦正好在負責下一年的IEEE會議。于是，在巴爾加瓦的邀請下，布拉薩德和本奈特將他們的新理論寫成了一篇文章，發(fā)表在了 1984 年的一次IEEE的會議上。正是因為這篇論文，他們的理論終于獲得了更廣泛的關(guān)注。并且，該理論最終以他們二人的姓名首字母命名，叫作BB84 協(xié)議（ BB84 protocol ）。

就這樣，從 1960 年代威斯納不切實際的“量子鈔票”開始，到 1984 年 BB84 協(xié)議的發(fā)表，量子密碼學終于正式誕生了。

作者：Sheldon

繪制：賞鑒

美指、對白：牛貓

排版：胡豆

鳴謝：徐飛虎

注：

1.BB84協(xié)議的原始論文，至今已經(jīng)被引用了已經(jīng)超過7000多次。

BB84文章的引用次數(shù)

2. 經(jīng)過30多年的發(fā)展，量子密碼學已經(jīng)發(fā)展成為一門理論與實驗交相呼應的成熟學科。1989年，科學家在32.5厘米的距離上，第一次驗證了BB84協(xié)議的設(shè)想。在2016年8月，中國發(fā)射了世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，成功地將這一距離拓展到了1200千米。

3. 在1983年時，威斯納的論文終于在國際計算機協(xié)會的一份期刊Sigact News上發(fā)表了。更有趣的是，一位叫魏德曼（Doug Wiedemann）的計算機科學家讀了威斯納文章后，在1997年獨立發(fā)明了跟BB84一模一樣的協(xié)議。他不但將自己發(fā)明的協(xié)議也發(fā)表在Sigact News上，還給它起了一模一樣的名字，叫作“量子密碼學”。

參考文獻：

1. Nicolas Gisin, and et. al., Quantum cryptography, Rev. Mod. Phys. 74, 145-195 (2002).

2. http://arxiv.org/abs/quant-ph/0604072v1