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知識分子

The Intellectual

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

撰文｜邸利會

責編｜李珊珊?

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昨日，美國計算機學會（ACM）宣布了 2025 年的 ACM A.M. Turing Award（圖靈獎）獲得者：Charles H. Bennett（查爾斯·貝內特）與 Gilles Brassard（吉勒·布拉薩德），以表彰他們在奠定量子信息科學基礎以及變革安全通信與計算方面所發(fā)揮的關鍵作用。

ACM 圖靈獎，通常被稱為“計算機領域的諾貝爾獎”，獎金為 100 萬美元，由谷歌公司提供資金支持。該獎項以英國數學家艾倫·M·圖靈的名字命名，他闡明了計算機的數學基礎。

貝內特和布拉薩德被廣泛認為是量子信息科學的創(chuàng)始人，量子信息科學是物理學和計算機科學交叉領域的一個分支，它將量子力學現象視為處理和傳輸信息的資源，而不僅僅是物質的屬性。

快速發(fā)展的量子計算有望提供比現有的計算機更快的計算能力，是目前學術界、工業(yè)界的一個研究重點；而量子密碼被認為可以提供一個更為安全的通訊方式，而這正是貝內特和布拉薩德的一個重要研究方向。

1979年，當貝內特和布拉薩德開始合作時，誰也沒有預想到量子通信會有如此的發(fā)展。當時，量子物理和計算機科學是分離的兩個學科，任何連接這兩個領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)端于基礎科學的量子密碼和通信已經成為一門全新的技術并已經可以商業(yè)化，成就一個新的市場。

“他們的主要科學貢獻相當于是奠基了量子信息這個研究領域。也可以進一步講，就是我們現在所從事的量子信息研究，無論是理論還是實驗，都是主要基于他們的方案。比如我們發(fā)射的墨子號衛(wèi)星實現的就是量子密碼，我們現在所做的量子計算里面也用到了很多量子隱形傳態(tài)的理論，并且如果要實現通用的量子計算機，那么量子糾錯就是其中最重要的組成部分之一?！?中國科學技術大學教授徐飛虎告訴《知識分子》。

現年83歲的貝內特是美國物理學會會員，也是美國國家科學院院士。2017年，他獲得了ICTP的狄拉克獎章。2018年，貝內特和布拉薩德共同獲得了素有諾貝爾獎前哨之稱的沃爾夫物理學獎，也是因此，兩人幾乎之后的每年都出現在諾貝爾物理學獎的預測榜單上。2019年，貝內特和布拉薩德共同斬獲墨子量子獎。此番斬獲圖靈獎，他們的工作可以說已獲得物理學與計算機科學兩大領域最高榮譽的雙重認證。

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十年后，人們才意識到這他們的研究會威脅到整個密碼系統

貝內特于1943年出生于紐約市，他的父母是音樂教師。1964年，貝內特獲得布蘭迪斯大學化學學士學位，1971年獲得哈佛大學博士學位，那時是在 David Turnbull 和 Berni Alder 督導下進行分子動力學研究。在哈佛大學的時候，他還作為DNA雙螺旋結構的發(fā)現者之一James Watson工作了一年，擔任遺傳密碼的助教。

之后，他在阿貢國家實驗室（ Argonne Laboratories）做博士后，從事計算統計物理的研究。1972年，他加入了IBM Research。之后，在 IBM 的 Rolf Landauer 工作的基礎上，他表明通用計算可以通過邏輯以及熱力學可逆的設備來執(zhí)行。1982年，他提出了對麥克斯韋妖的重新解釋，認為因為破壞而不是獲得信息的熱力學成本，無法打破熱力學第二定律。他還發(fā)表了一篇關于估算兩個系統之間自由能差異的重要論文，提出貝內特接受率方法。

1984年，貝內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，該系統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行安全通信。

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

在 John Smolin 的幫助下，貝內特在1989年首次成功的進行了世界上第一個量子密碼學的演示。

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

剛開始，貝內特與布拉薩德工作的重要性并沒有被科學界很快認識到。直到十年之后，其重要性開始顯現。因為數學家彼得·秀爾（Peter Shor）發(fā)現假想的量子計算機將使支撐了當今的互聯網通信隱私和安全的傳統密碼系統很快失效，而量子密碼學將是保持通信安全的唯一手段。

“秀爾發(fā)現量子計算機（如果可以建造的話）將徹底破壞保護互聯網通信的加密基礎設施，然而，我們創(chuàng)建BB84系統比他的發(fā)現早十年。所以，當秀爾（宣布量子計算機將）摧毀一切之后，我們工作的重要性變得更加顯著，這有點好笑，因為在1984年，從量子理論出發(fā)導致了機器間傳輸中最安全的系統?？墒旰螅宋覀兊模ㄏ到y），同樣的量子理論挑戰(zhàn)了所有已經發(fā)明的密碼系統！” 布拉薩德曾回憶。

秀爾本人則是這樣解釋自己的貢獻：“當前的密碼系統取決于分解質因數很難。如果你能快速分解數字，你就可以破解當今系統的所有密碼。我展示的是量子計算機可以相當快地分解大數。當然，目前實際上還沒有人建造一臺足夠大的量子計算機來分解這些數字，可能還得再等上幾年或幾十年的時間?！?/p>

量子密碼學之外，1993年，貝內特和布拉薩德與其他人合作，發(fā)現了 “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典信息和純粹的非經典的Einstein–Podolsky–Rosen（EPR悖論）相關性，通過兩個單獨的通道發(fā)送，然后在新位置重新組裝，精確復制在發(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傳輸經典和量子信息的技術，這是量子信息和計算理論的更大領域的一部分。他還與其他人一起介紹了糾纏蒸餾的概念。

文章轉載自“知識分子”微信公眾號