2025圖靈獎揭曉：兩位科學家如何用量子力學重寫密碼學規則

2025年3月，計算機科學界迎來了一則重磅消息：美國計算機協會（ACM）將2025年圖靈獎授予了兩位科學家——IBM研究院的Charles H. Bennett和加拿大蒙特利爾大學的Gilles Brassard。這個被譽為"計算機界諾貝爾獎"的獎項，獎金高達100萬美元，由Google贊助。

他們的獲獎理由是：在量子信息科學和量子密碼學領域做出了奠基性工作，徹底改變了我們對安全通信和計算的理解。

一個瘋狂的想法：用量子力學來保護秘密

讓我們把時間撥回到1984年。那時候，互聯網還處于萌芽階段，個人電腦剛剛進入家庭，而這兩位科學家卻在思考一個聽起來近乎科幻的問題：能不能用量子力學的原理來加密信息？

要知道，量子力學在當時主要是物理學家的領域，研究的是微觀粒子那些奇奇怪怪的行為——比如一個粒子可以同時處于多個狀態，觀察它的時候它會"坍縮"成某個確定狀態。這些概念聽起來玄之又玄，跟日常生活中的密碼學似乎八竿子打不著。

但Bennett和Brassard敏銳地意識到，量子力學有一個至關重要的特性：任何對量子系統的測量都會不可避免地干擾這個系統。這意味著，如果有人試圖竊聽一條用量子態傳輸的信息，他必然會在信息上留下痕跡。

基于這個洞察，他們提出了著名的BB84協議——這是世界上第一個實用的量子密碼學協議。

BB84協議：物理學定律做保鏢

BB84協議的核心思想非常巧妙。想象Alice想給Bob發送一條秘密消息，她可以這樣做：

首先，Alice準備一串光子，每個光子都處于某種特定的量子態。她隨機選擇不同的"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，也隨機選擇基底來測量它們。由于量子力學的特性，如果Bob選擇了和Alice相同的基底，他就能正確讀出信息；如果選錯了，結果就完全隨機。

關鍵在于第三步：Alice和Bob通過一條公開通道比對他們的基底選擇，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。

現在，假設有個竊聽者Eve試圖攔截這些光子。根據量子力學的基本原理，Eve測量光子的行為必然會改變光子的狀態。當Alice和Bob比對結果時，他們就會發現異常——某些應該一致的地方出現了錯誤。這就像有人在偷看時留下了指紋，立即就會被發現。

這種安全性不是基于數學難題的計算復雜度，而是基于物理學的基本定律。即使竊聽者擁有無限的計算能力，甚至擁有一臺量子計算機，也無法在不被發現的情況下竊取密鑰。

量子隱形傳態：超越科幻的現實

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

量子糾纏是量子力學中最神奇的現象之一：兩個粒子可以處于一種特殊的關聯狀態，無論它們相距多遠，對其中一個粒子的測量會立即影響另一個粒子的狀態。愛因斯坦曾稱之為"幽靈般的超距作用"，對此深感不安。

Bennett等人證明，利用量子糾纏和經典通信，可以將一個粒子的量子態"傳送"給另一個遙遠的粒子，而不需要物理地移動這個粒子本身。這個發現不僅具有深遠的理論意義，也為未來的量子網絡和量子互聯網奠定了基礎。

2022年諾貝爾物理學獎就授予了驗證相關量子現象的實驗物理學家，而這些實驗的理論基礎正是Bennett和Brassard的工作。

為什么這項研究如此重要？

你可能會問：這些聽起來很高深，但跟我有什么關系？

關系大了。我們今天使用的互聯網加密系統——保護你的網銀密碼、聊天記錄、電子郵件的系統——大多基于一種叫做"公鑰密碼學"的技術。這些系統的安全性依賴于某些數學問題的計算難度，比如大整數的因數分解。

問題在于，1994年數學家Peter Shor證明，如果有一臺足夠強大的量子計算機，這些數學難題可以被快速破解。這意味著，一旦量子計算機成熟，今天的大部分加密系統都將變得不安全。

而Bennett和Brassard的量子密碼學提供了一條出路。BB84協議的安全性不依賴于計算假設，而是基于量子力學的物理定律。即使面對量子計算機，它依然是安全的。

目前，BB84協議的變種已經在全球多個量子通信網絡中投入使用，包括通過光纖和衛星進行的自由空間通信。中國、美國、歐洲都在積極建設量子通信基礎設施，而這些技術的核心都源于1984年那篇開創性的論文。

兩位獲獎者的故事

Charles H. Bennett是一位美國物理學家，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和計算機科學的多個領域，包括熱力學、量子力學、密碼學、計算復雜性等。他曾獲得沃爾夫物理學獎、墨子量子獎、突破獎等多項殊榮，是美國國家科學院院士和英國皇家學會外籍院士。

Gilles Brassard是加拿大計算機科學家，被公認為世界上第一個深入研究量子信息科學的學者。他于1979年在康奈爾大學獲得博士學位，導師是1986年圖靈獎得主John E. Hopcroft。此后他一直在蒙特利爾大學任教，曾擔任加拿大量子信息科學研究主席。他也是加拿大勛章和魁北克國家勛章獲得者，英國皇家學會院士和美國國家科學院外籍院士。

兩人的合作跨越了四十多年，將物理學和計算機科學這兩個原本相距甚遠的領域緊密聯系在一起。他們的工作不僅催生了量子密碼學這個全新領域，還影響了算法設計、計算復雜性、學習理論、交互式證明、數學物理等多個研究方向。

量子時代的序幕

2025年被聯合國定為"國際量子科學與技術年"，全球各國都在加大對量子計算、量子通信和量子傳感技術的投資。而許多今天雄心勃勃的量子技術項目，其概念基礎都可以追溯到Bennett和Brassard的理論突破。

從1984年那篇看似天馬行空的論文，到今天正在建設的量子互聯網，這段旅程展示了基礎研究的巨大力量。有時候，最抽象的理論可以孕育出改變世界的技術；有時候，一個看似瘋狂的想法，經過幾十年的發展，最終會成為現實。

Bennett和Brassard獲得圖靈獎，不僅是對他們個人貢獻的認可，也是對整個量子信息科學領域的肯定。在這個量子時代的大幕正在徐徐拉開之際，我們或許正在見證計算和通信方式的又一次根本性變革。

來源: ACM官方公告 / @TheOfficialACM