图灵奖打破六十年祖制：计算领域的诺贝尔奖，头一次颁给了量子物理

编辑 | 王凤枝

今年，计算机领域的最高荣誉图灵奖终于揭晓，获奖者是两位看似“跨界”的科学家：美国物理学家查尔斯·贝内特和加拿大计算机科学家吉勒·布拉萨德。他们共享了这份殊荣。

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这个结果，可以说打破了一项长达六十年的历史惯例。

要知道，以英国数学家图灵命名的这个奖项，常被视作计算界的诺贝尔奖。过去半个多世纪，它嘉奖的对象，从编程语言的奠基者，到人工智能的开创者，再到互联网架构的设计师，无一不是计算机科学殿堂里的核心人物。但将最高荣誉颁给与量子物理直接相关的工作，这还是头一遭。

颁奖词写得非常明确：表彰他们“在奠定量子信息科学基础以及变革安全通信与计算方面所发挥的关键作用”。

而这场足以重塑全球密码学格局的伟大合作，起点却是一场听起来极其荒诞的——海上搭讪。

时间回到1979年夏天，波多黎各北海岸。当时还在IBM做研究的贝内特，突然在大西洋里游向一个完全陌生的年轻人，然后开始喋喋不休地讲述一个疯狂的想法：用量子力学造出一种永远无法伪造的钞票。对面那个无处可逃的听众，正是刚拿到博士学位的密码学家布拉萨德。

“如果我站在坚实的地面上，我早就逃命了。”布拉萨德后来回忆这段经历时调侃道，“但我被困在海里，只好礼貌地听着。”

谁又能想到，就是这两个泡在海水里的陌生人，用一次“无处可逃”的倾听，开启了长达四十年的合作，并硬生生催生出了今天被称为“量子信息科学”的整个学科。

01 变“麻烦”为最强之盾

在贝内特和布拉萨德相遇的年代，物理学与计算机科学之间，存在着一条深刻的鸿沟。尽管物理学家早在20世纪初就揭开了量子力学的面纱，但当时的计算机科学家们，大多只将其视为一种“麻烦”。

贝内特曾这样解释：从20世纪50年代到80年代，业界普遍认为量子效应只发生在微观尺度，是制造晶体管时必须处理的“噪声”来源。然而，这两位获奖者却反其道而行之。他们发现，像量子抛币和量子纠缠这类方法，恰恰能将量子现实中那些被视为“缺陷”的特性，转化为极其强大的工具。

这里有个关键人物：贝内特有个大学同学叫斯蒂芬·威斯纳，想法一向比较另类。早在60年代末，威斯纳就琢磨出一个点子——能不能利用量子的特性，造出没法伪造的数字货币？这听起来像天方夜谭，但贝内特一直没忘记这个想法。

于是，在1979年的那次会议上，当贝内特发现参会名单里有刚做完公钥密码学博士论文的布拉萨德时，他立刻在近海找到了对方。贝内特觉得，这个人也许能听懂自己在想什么。于是，便有了海里那戏剧性的一幕。

令人意外的是，此前对物理并无兴趣的布拉萨德，听完后不仅没跑，反而被这种方法迷住了。两人随即开始合作。他们最初的构想，是把贝内特的想法从“钞票”改成更简单的东西，也就是“地铁代币”。1983年，他们发表论文论证了：量子地铁代币不可能被伪造，即便有人偷走了包含复杂读取硬件的检票机，也毫无用处。

02 BB84协议诞生

然而，真正改变游戏规则的事情，发生在1984年。

那一年，贝内特和布拉萨德发表了一篇题为《量子密码学：公钥分发和抛币》的论文。里面提出了后来被称为“BB84”的协议——名字取自两人姓氏的首字母和年份。

这个协议旨在解决一个古老的问题：两个人相隔两地，如何才能安全地共享一把用于加密的密钥？

其实，信息论创始人克劳德·香农早在1949年就已证明：要想实现绝对安全，通信双方必须提前共享一把至少跟消息一样长的密钥。后来的公钥密码学（例如今天被视为互联网基石的RSA算法）提供了一种强大的变通方案，它们依靠极其复杂的数学难题来保证安全。

但BB84走了一条截然不同的路。它完全抛弃了“计算假设”，转而向物理学本身寻求庇护。

具体做法是：发信人将密钥编码成一个个光子的量子态，通过光纤发送出去。根据量子力学的基本原理，量子信息在不被干扰的情况下是无法被复制或测量的。也就是说，任何窃听企图都会在信息泄露之前，留下可检测的痕迹——就像药瓶上的封条，一撕就破。

“这意味着我们可以共享信息，并且确信没有被别人偷听到。”贝内特后来这样解释其原理。

到了1989年，贝内特在IBM带着团队，首次用物理实验演示了这个想法。当时的装置相当简陋，用的电脑是最早的IBM PC，整个设备看起来像是资金紧张的高中科学实验室用零件拼凑出来的。但它确实成功了。

加州大学洛杉矶分校的普里内哈·纳朗教授对此评价道：“他们引入了一种全新的加密思维方式，让基础物理定律本身使得黑客攻击变得不可能。”

03 肖尔算法惊醒了所有人

BB84刚诞生时，并没有多少人把它当回事。据布拉萨德回忆，他们最早想在ACM（美国计算机协会）的一场会议上发表，结果被拒绝了，最后是在印度的一个会议上才讲出去。他开玩笑说，第一次尝试向世界提交想法，就被如今颁发这个奖的组织给拒绝了。

真正让人们意识到这项创造重要性的，是在1994年。

那一年，贝尔实验室的数学家彼得·肖尔提出了震惊业界的“肖尔算法”，并证明了一个令人不寒而栗的结论：一旦造出足够强大的量子计算机，就能轻而易举地破解前文提到的RSA等所有基于大数分解的加密系统。

肖尔算法像一个警钟，第一次让人们清晰地看到，保护着互联网安全的传统数学密码，在算力暴涨的未来将形同虚设。

布拉萨德后来多次提醒这件事。他谈到，一旦大规模量子计算机成为现实，现在的公钥加密体系就会崩塌。更令人担忧的是，可能已经有人在从事“现在收集，以后解密”的勾当——先把加密数据存储下来，等量子计算机造出来后再一次性破译。

伦敦国王学院的高级访问研究员卢卡什·奥莱尼克评论说，BB84的意义在于，它的安全性并非基于计算难度假设，而是基于物理定律本身。

区块链隐私项目Aleo的核心人物亚历克斯·普鲁登也表达了类似看法：量子物理学不仅仅是密码学领域的“末日武器”，它还是具有革命性潜力的新基本原理的基础。

04 隐形传态和量子互联网

BB84只是一个开始。到了1990年代，这两位科学家将他们的想法向前推进了一大步。1993年，从贝内特的一个想法出发，他和布拉萨德再加上另外四位研究者，共同提出了“量子隐形传态”的概念，展示了数据可以在长距离上安全传输——这曾被包括爱因斯坦在内的许多科学家认为是不可能的。

量子隐形传态依赖于一种被称为“纠缠”的量子特性，它曾被阿尔伯特·爱因斯坦戏称为“鬼魅般的超距作用”。当两个量子客体（例如两个电子）发生纠缠时，即使相距遥远，它们也会相互关联。贝内特和布拉萨德证明了，这种现象可以作为实用的通信资源。

网络安全公司evolutionQ的联合创始人、滑铁卢大学量子计算研究所的米歇尔·莫斯卡教授对两人的工作有长期观察。他回忆，第一次接触到这些想法是在90年代初，当时感觉像在读科幻小说。但如今，已有数家网络安全公司将其方法用于产品中，帮助保护数据承载网络的安全。

需要明确的是，隐形传态传送的不是物质本身，而是量子态。利用一对纠缠粒子作为通道，可以把一个粒子的状态“传送”到另一个粒子身上。这个过程是安全的，因为任何拦截行为都会破坏纠缠。

荷兰代尔夫特理工大学的量子通信研究员斯蒂芬妮·韦纳这样解释：“量子信息不仅仅是经典信息的载体，我们可以用它来做一些没有经典类似物的事情。”

1996年，贝内特和布拉萨德又完成了另一项关键工作：“纠缠蒸馏”。简单来说，就是证明了如何将不完美的纠缠加强为高质量的纠缠。这是迈向可扩展量子通信的关键一步，没有它，远距离量子通信很难实现规模化。

伦敦大学学院的理论物理学家乔纳森·奥本海姆指出，贝内特和布拉萨德的工作不只是开创了一个技术领域，它还反过来让研究者能更好地理解宇宙本身。例如，黑洞研究中的一些难题，正是贝内特等人用量子信息工具来探索的。

今天关于“量子互联网”的构想，源头就在这里。随着谷歌和微软等公司制造出越来越强大的量子计算机，隐形传态终有一天将深刻改变数据从一个地方传输到另一个地方的方式。

05 从30厘米到1000公里

BB84刚做出来的时候，传输距离只有区区30厘米。如今，这项技术已经“飞上了天”。

2017年，中国的“墨子号”卫星完成了上千公里级的量子密钥分发实验，使用的就是BB84的变种方案。在欧洲和北美，基于光纤的量子通信网络也在逐步铺开。

“很长一段时间里，人们不清楚这些想法该怎么用。”纳朗博士说，“现在，小公司、大公司甚至美国政府，都在尝试部署这项技术。”

当然，这并不意味着量子密码会在短时间内彻底碘伏并取代RSA。受限于极高的专用硬件成本，量子密码目前还很难大规模普及，基于数学假设的传统密码学在未来很长一段时间内仍将是主流。但贝内特与布拉萨德的伟大之处在于，他们史无前例地开辟出了一条纯粹的量子通信信道，让人类第一次拥有了能够完全剥离“数学算力焦虑”的绝对安全方案。

对于外界的狂热，贝内特本人却看得很淡。他和布拉萨德不止一次说过，他们80年代的工作并没有直接导致后来的量子计算热潮。早在1981年，理查德·费曼就提出过，既然自然本身是量子的，有些计算任务可能就需要用量子计算机来做。大卫·多伊奇也曾对量子计算机的关键想法做过贡献，而贝内特和布拉萨德是后来才加入这个领域的。

但不可否认的是，他们当年在海水中开辟的那条路，已经成为整个量子信息科学最坚实的地基。

尾声：初心不改

尽管量子计算已经成为一项价值数十亿美元的全球竞赛，两位获奖者依然保持着学者的纯粹与好奇心。

83岁的贝内特至今仍留在IBM工作，那里的同事都亲切地称他为“查理”。70岁的布拉萨德则在蒙特利尔大学任教超过46年，继续指导着新一代的研究者。

在贝内特位于约克敦高地的办公室内，保留着那个划时代的“古董”——也就是他们最初用来证明首个量子密码理论有效性的装置。与谷歌和微软那些充满未来感、用液氮冷却的庞大机器相比，这个装置看起来就像资金紧张的高中实验室用废弃零件拼凑而成的，它的核心动力甚至仅仅是一台最早期的IBM个人电脑。

贝内特曾试图将这个装置作为展品，捐献给位于美国国家安全局大楼旁边的国家密码学博物馆。然而，这个安全意识极强的博物馆却断然拒绝了。

“他们说：不，我们只处理过时的密码技术。”这位新晋图灵奖得主笑着回忆，“这话听起来真是悦耳至极。”

因为这恰恰说明，这套诞生于四十年前的思想，至今依然站在人类科技的最前沿，尚未成为历史。

正如ACM主席扬尼斯·约安尼季斯所评价的：贝内特和布拉萨德从根本上改变了我们对信息本身的理解。他们的洞察力拓展了计算的边界，并启动了跨越学科的数十年发现。当今量子技术背后的全球势头，凸显了他们贡献的持久重要性。