出品 | 網(wǎng)易智能

作者 | 小小

編輯 | 王鳳枝

今年計算機(jī)界的最高榮譽圖靈獎（ACM A.M. Turing Award）已經(jīng)塵埃落定，美國物理學(xué)家查爾斯·貝內(nèi)特（Charles H. Bennett）和加拿大計算機(jī)科學(xué)家吉勒·布拉薩德（Gilles Brassard）共享了這一殊榮。

這一結(jié)果打破了長達(dá)六十年的歷史慣例。

這個以英國數(shù)學(xué)家圖靈命名的獎項常被稱為計算領(lǐng)域的諾貝爾獎，并由谷歌提供100萬美元資助。在過去的半個多世紀(jì)里，它曾陸續(xù)頒給編程語言的奠基人、人工智能的開創(chuàng)者以及互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計師。但這是頭一次，圖靈獎將最高榮譽頒發(fā)給了與量子物理直接相關(guān)的工作。

官方頒獎詞明確寫道，表彰他們“在奠定量子信息科學(xué)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”。

這場足以重塑全球密碼學(xué)格局的偉大合作，起因卻是一場聽起來極其荒誕的海上搭訕。

1979年夏天，波多黎各北海岸的大西洋里，當(dāng)時還在IBM做研究的貝內(nèi)特突然游向一個完全陌生的年輕人，開始喋喋不休地講述一個瘋狂的想法，用量子力學(xué)造出一種永遠(yuǎn)無法偽造的鈔票。對面那個被搭訕的年輕人，正是剛拿到博士學(xué)位的密碼學(xué)家布拉薩德。

“如果我站在堅實的地面上，我早就逃命了?！辈祭_德后來回憶，“但我被困在海里，只好禮貌地聽著。”

誰也沒有想到，就是這兩個泡在海水里的陌生人，用一次無處可逃的傾聽開啟了長達(dá)四十年的合作，硬生生催生出了今天被稱為量子信息科學(xué)的整個學(xué)科。

01變“麻煩”為最強(qiáng)之盾

在貝內(nèi)特和布拉薩德相遇的年代，物理學(xué)與計算機(jī)科學(xué)之間存在著深刻的隔閡。盡管物理學(xué)家早在20世紀(jì)初就發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)，但計算機(jī)科學(xué)家們長期以來只將其視為一種麻煩。

貝內(nèi)特解釋說，從20世紀(jì)50年代到80年代，人們普遍認(rèn)為量子效應(yīng)只發(fā)生在微觀尺度，是制造晶體管時必須處理的噪聲來源。然而這兩位獲獎?wù)邊s反其道而行之，他們發(fā)現(xiàn)像量子拋幣和量子糾纏等方法，可以將量子現(xiàn)實中那些被視為缺陷的特性轉(zhuǎn)化為極其強(qiáng)大的工具。

貝內(nèi)特有個大學(xué)同學(xué)叫斯蒂芬·威斯納（Stephen Wiesner），這個人的想法比較另類。60年代末，威斯納就琢磨出一個點子，能不能利用量子的特性造出沒法偽造的數(shù)字貨幣？聽起來像天方夜譚，但貝內(nèi)特一直沒忘。

1979年的那次會議上，貝內(nèi)特發(fā)現(xiàn)參會名單里有布拉薩德，當(dāng)時后者剛做完公鑰密碼學(xué)的博士論文，便在近海找到了他。貝內(nèi)特覺得這人也許能聽懂自己在想什么，于是就有了海里那一幕。

布拉薩德雖然此前對物理沒興趣，但聽完居然沒跑，反而被這種方法迷住了。兩人開始合作，最初是想把貝內(nèi)特的想法從鈔票改成更簡單的東西，也就是地鐵代幣。1983年，他們發(fā)表論文論證了量子地鐵代幣不可能被偽造，就算有人偷了包含復(fù)雜讀取硬件的檢票機(jī)也沒用。

02 BB84協(xié)議誕生

然而，真正改變游戲規(guī)則的事情發(fā)生在1984年。

那一年，貝內(nèi)特和布拉薩德發(fā)表了一篇題目為《量子密碼學(xué)：公鑰分發(fā)和拋幣》的論文。里面提出了后來被稱為BB84的協(xié)議，名字取自兩人姓氏首字母和年份。

這個協(xié)議想解決的是一個古老問題：兩個人相隔兩地，怎么才能安全地共享一把加密用的密鑰？

其實早在1949年，信息論創(chuàng)始人克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）就已經(jīng)證明過，要想絕對安全，通信雙方必須提前共享一把至少跟消息一樣長的密鑰。后來的公鑰密碼學(xué)（例如今天被視為互聯(lián)網(wǎng)基石的RSA算法）提供了一種強(qiáng)大的變通方案，它們依靠極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)難題來保證安全。

但BB84走了一條截然不同的路，它完全拋棄了計算假設(shè)，轉(zhuǎn)而向物理學(xué)尋求庇護(hù)。

具體做法是，發(fā)信人把密鑰編碼成一個個光子的量子態(tài)，通過光纖發(fā)出去。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，量子信息在不被干擾的情況下是無法被復(fù)制或測量的。也就是說，任何竊聽企圖都會在信息泄露之前留下可檢測的痕跡，就像藥瓶上的封條一樣一撕就破。

“這意味著我們可以共享信息，并且確信沒有被別人偷聽到。”貝內(nèi)特后來這樣解釋。

1989年，貝內(nèi)特在IBM帶著團(tuán)隊首次用物理實驗演示了這個想法。當(dāng)時的裝置簡陋得很，用的電腦是最早的IBM PC，整個設(shè)備像資金緊張的高中科學(xué)實驗室用零件拼出來的。但它確實成功了。

加州大學(xué)洛杉磯分校物理科學(xué)及電氣與計算機(jī)工程教授普里內(nèi)哈·納朗（Prineha Narang）這樣評價他們的工作：“他們引入了一種全新的加密思維方式，讓基礎(chǔ)物理定律本身使得黑客攻擊變得不可能。”

03肖爾算法驚醒了所有人

BB84剛誕生時，沒多少人將其當(dāng)回事。據(jù)布拉薩德回憶，他們最早想在ACM（美國計算機(jī)協(xié)會）的一場會議上發(fā)表，結(jié)果被拒了，最后是在印度的一個會議上才講出去。他開玩笑說，第一次嘗試向世界提交想法，就被如今頒發(fā)這個獎的組織給拒絕了。

真正讓人們意識到這項創(chuàng)造的重要性的，是在1994年。

那一年，貝爾實驗室的數(shù)學(xué)家彼得·肖爾（Peter Shor）提出了震驚業(yè)界的肖爾算法，并證明了一個令人不寒而栗的結(jié)論：一旦造出足夠強(qiáng)大的量子計算機(jī)，就能輕而易舉地破解前文提到的RSA等所有基于大數(shù)分解的加密系統(tǒng)。

肖爾算法像一個警鐘。它第一次讓人們看到，保護(hù)著互聯(lián)網(wǎng)安全的傳統(tǒng)數(shù)學(xué)密碼，在算力暴漲的未來將形同虛設(shè)。

布拉薩德后來一直提醒這件事。他多次談到，一旦大規(guī)模量子計算機(jī)成為現(xiàn)實，現(xiàn)在的公鑰加密體系就會崩塌。有人可能已經(jīng)在做“現(xiàn)在收集以后解密”的勾當(dāng)，也就是先把加密數(shù)據(jù)存下來，等量子計算機(jī)造出來再一次性破譯。

倫敦國王學(xué)院高級訪問研究員盧卡什·奧萊尼克（Lukasz Olejnik）評論說，BB84的意義在于，它的安全性并非基于計算難度假設(shè)，而是基于物理定律。

區(qū)塊鏈隱私項目Aleo的核心人物亞歷克斯·普魯?shù)牵ˋlex Pruden）也表達(dá)了類似看法，量子物理學(xué)不僅僅是密碼學(xué)領(lǐng)域的末日武器，它還是具有革命性潛力的新基本原理的基礎(chǔ)。

04隱形傳態(tài)和量子互聯(lián)網(wǎng)

BB84只是開始。在1990年代，這兩位計算機(jī)科學(xué)家將他們的想法向前推進(jìn)了一步。1993年，從貝內(nèi)特的一個想法出發(fā)，他和布拉薩德再加上另外四位研究者一起提出了量子隱形傳態(tài)的概念，展示了數(shù)據(jù)可以在長距離上安全傳輸，這曾被包括愛因斯坦在內(nèi)的許多科學(xué)家認(rèn)為是不可能的。

量子隱形傳態(tài)依賴于一種被稱為糾纏的量子特性，它曾被阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）戲稱為鬼魅般的超距作用。當(dāng)兩個量子客體（例如兩個電子）發(fā)生糾纏時，即使相距遙遠(yuǎn)它們也會相互關(guān)聯(lián)。貝內(nèi)特和布拉薩德證明了這種現(xiàn)象可以作為實用的通信資源。

網(wǎng)絡(luò)安全公司evolutionQ聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO、滑鐵盧大學(xué)量子計算研究所教授米歇爾·莫斯卡（Michele Mosca）對兩人的工作有長期觀察。他第一次接觸到這些想法是在90年代初，當(dāng)時感覺像科幻小說。但如今，已有數(shù)家網(wǎng)絡(luò)安全公司將其方法用于產(chǎn)品中，幫助保護(hù)數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)的安全。

隱形傳態(tài)不傳送物質(zhì)，傳送的是量子態(tài)。用一對糾纏粒子做通道，可以把一個粒子的狀態(tài)傳到另一個粒子身上。這個過程是安全的，因為任何攔截都會破壞糾纏。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子通信研究員斯蒂芬妮·韋納（Stephanie Wehner）這樣解釋，量子信息不僅僅是經(jīng)典信息的載體，我們可以用它來做一些沒有經(jīng)典類似物的事情。

1996年，貝內(nèi)特和布拉薩德又做了另一項工作：糾纏蒸餾（distillation）。簡單說，就是證明了如何把不完美的糾纏加強(qiáng)為高質(zhì)量的糾纏，這是邁向可擴(kuò)展量子通信的關(guān)鍵一步。沒有這一步，遠(yuǎn)距離量子通信很難規(guī)?；?/p>

倫敦大學(xué)學(xué)院的理論物理學(xué)家喬納森·奧本海姆（Jonathan Oppenheim）說，貝內(nèi)特和布拉薩德的工作不只是開創(chuàng)了一個技術(shù)領(lǐng)域，它還反過來讓研究者更好地理解宇宙。比如黑洞研究里的一些難題，就是貝內(nèi)特等人用量子信息工具來探索的。

今天的量子互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想，源頭就在這里。隨著谷歌和微軟等公司制造出越來越強(qiáng)大的量子計算機(jī)，隱形傳態(tài)終有一天將深刻改變數(shù)據(jù)從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方的方式。

05從30厘米到1000公里

BB84剛做出來的時候，傳輸距離只有30厘米。如今，這項技術(shù)已經(jīng)飛上了天。

2017年，中國的墨子號衛(wèi)星完成了上千公里級的量子密鑰分發(fā)實驗，用的就是BB84的變種方案。在歐洲和北美，光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)也在逐步鋪開。

“很長一段時間里，人們不清楚這些想法怎么用?！奔{朗博士說，“現(xiàn)在，小公司、大公司甚至美國政府都在嘗試部署這項技術(shù)。”

當(dāng)然，這并不意味著量子密碼會在短時間內(nèi)徹底顛覆并取代RSA。受限于極高的專用硬件成本，量子密碼目前還很難大規(guī)模普及，基于數(shù)學(xué)假設(shè)的傳統(tǒng)密碼學(xué)在未來很長一段時間內(nèi)仍將是主流。但貝內(nèi)特與布拉薩德的偉大之處在于，他們史無前例地開辟出了一條純粹的量子通信信道，讓人類第一次擁有了能夠完全剝離數(shù)學(xué)算力焦慮的絕對安全方案。

對于外界的狂熱，貝內(nèi)特本人卻看得很淡。他和布拉薩德不止一次說過，他們80年代的工作并沒有直接導(dǎo)致后來的量子計算熱潮。早在1981年，理查德·費曼（Richard Feynman）就提出過，既然自然本身是量子的，有些計算任務(wù)可能就需要用量子計算機(jī)來做。大衛(wèi)·多伊奇（David Deutsch）也曾對量子計算機(jī)的關(guān)鍵想法做過貢獻(xiàn)，而貝內(nèi)特和布拉薩德是后來才加入這個領(lǐng)域的。

但不可否認(rèn)的是，他們當(dāng)年在海水中開辟的那條路，已經(jīng)是整個量子信息科學(xué)最堅實的地基。

尾聲：初心不改

盡管量子計算已經(jīng)成為一項價值數(shù)十億美元的全球競賽，兩位獲獎?wù)咭廊槐３种鴮W(xué)者的純粹與好奇心。

83歲的貝內(nèi)特至今仍留在IBM工作，那里的同事都親切地稱他為查理。70歲的布拉薩德則在蒙特利爾大學(xué)任教超過46年，繼續(xù)指導(dǎo)著新一代研究者。

在貝內(nèi)特位于約克敦高地的辦公室內(nèi)，保留著那個劃時代的古董，也就是他們最初用來證明首個量子密碼理論有效性的裝置。與谷歌和微軟那些充滿未來感、用液氮冷卻的龐大機(jī)器相比，這個裝置看起來就像資金緊張的高中實驗室用廢棄零件拼湊而成的，它的核心動力甚至僅僅是一臺最早期的IBM個人電腦。

貝內(nèi)特曾試圖將這個裝置作為展品，捐獻(xiàn)給位于美國國家安全局（NSA）大樓旁邊的國家密碼學(xué)博物館。然而，這個安全意識極強(qiáng)的博物館卻斷然拒絕了。

“他們說：不，我們只處理過時的密碼技術(shù)?！边@位新晉圖靈獎得主笑著回憶，“這話聽起來真是悅耳至極?！?/p>

因為這恰恰說明，這套誕生于四十年前的思想，至今依然站在人類科技的最前沿，尚未成為歷史。

正如ACM主席揚尼斯·約安尼季斯（Yannis Ioannidis）所評價的，貝內(nèi)特和布拉薩德從根本上改變了我們對信息本身的理解。他們的洞察力拓展了計算的邊界，并啟動了跨越學(xué)科的數(shù)十年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今量子技術(shù)背后的全球勢頭，凸顯了他們貢獻(xiàn)的持久重要性。