2025圖靈獎(jiǎng)公布，量子信息等四十年，終于被計(jì)算機(jī)界最高榮譽(yù)認(rèn)可

2026 年 3 月 18 日，國(guó)際計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（ACM）宣布，將 2025 年度 ACM A.M. 圖靈獎(jiǎng)授予 Charles H. Bennett 和 Gilles Brassard，表彰二人在創(chuàng)建量子信息科學(xué)基礎(chǔ)、革新安全通信與計(jì)算方面的核心貢獻(xiàn)。這是圖靈獎(jiǎng)自 1966 年設(shè)立以來(lái)，首次頒給與量子物理直接相關(guān)的研究。獎(jiǎng)金 100 萬(wàn)美元，由 Google 提供資助。

圖丨Charles H. Bennett 和 Gilles Brassard（來(lái)源：IBM）

ACM 主席 Yannis Ioannidis 在聲明中稱，Bennett 和 Brassard 從根本上改變了人們對(duì)“信息”本身的理解，他們的洞察拓展了計(jì)算的邊界，并在此后數(shù)十年里持續(xù)激發(fā)跨學(xué)科的發(fā)現(xiàn)。

圖靈獎(jiǎng)通常被稱為“計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)”。歷年獲獎(jiǎng)?wù)甙ɑヂ?lián)網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等方向的開拓者，涵蓋了從編程語(yǔ)言到芯片架構(gòu)的諸多領(lǐng)域。而今年的獲獎(jiǎng)?wù)?，一位是物理學(xué)家，一位是計(jì)算機(jī)科學(xué)家，兩人的合作跨越了四十余年，卻并不起源于任何正式的實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃，而是始于一次泳池里的閑聊。

1979 年 10 月，第 20 屆 IEEE 計(jì)算基礎(chǔ)研討會(huì)（FOCS）在波多黎各圣胡安舉行。Brassard 當(dāng)時(shí) 24 歲，剛從康奈爾大學(xué)拿到博士學(xué)位，到會(huì)議上宣讀一篇關(guān)于密碼學(xué)基礎(chǔ)的論文。Bennett 已在 IBM 研究院工作了六年，一直琢磨物理定律如何約束信息處理，但很少有同行對(duì)此感興趣。他注意到日程表上 Brassard 那個(gè)密碼學(xué)相關(guān)的報(bào)告，決定找機(jī)會(huì)跟對(duì)方聊聊。

機(jī)會(huì)出現(xiàn)在海灘上。Brassard 正在游泳，一個(gè)陌生人徑直游過(guò)來(lái)，開口就講起一個(gè)用量子力學(xué)制造不可偽造鈔票的設(shè)想。這個(gè)方案來(lái)自 Bennett 在哈佛時(shí)期的老友 Stephen Wiesner。Brassard 對(duì)量子物理一無(wú)所知，但出于禮貌，他聽了下去，然后很快意識(shí)到，這個(gè)聽起來(lái)像科幻小說(shuō)的想法，背后有嚴(yán)肅的科學(xué)邏輯。

那次海水中的對(duì)話開啟了持續(xù)至今的合作。Bennett 是紐約人，1943 年出生于一個(gè)音樂(lè)教師家庭，在布蘭迪斯大學(xué)讀完本科后到哈佛攻讀博士，1973 年加入 IBM 研究院，至今仍在那里工作。Brassard 是加拿大人，1955 年出生于蒙特利爾，少年時(shí)由兄長(zhǎng)啟蒙數(shù)學(xué)，13 歲上大學(xué)，24 歲博士畢業(yè)后即加入蒙特利爾大學(xué)，此后一直任教至今。一個(gè)物理學(xué)家，一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家，兩人的研究軌跡本來(lái)毫無(wú)交集，卻在量子與信息的交叉地帶匯合了。

他們的第一個(gè)重大成果是量子密碼學(xué)。1984 年，Bennett 和 Brassard 在印度班加羅爾一場(chǎng)信號(hào)處理會(huì)議上發(fā)表了論文《量子密碼學(xué)：公鑰分發(fā)與擲幣》，提出了后來(lái)以兩人姓氏首字母命名的 BB84 協(xié)議。BB84 的核心思路是：通信雙方可以通過(guò)交換單光子來(lái)建立一把只有彼此知道的加密密鑰，而任何竊聽者都無(wú)法在不擾動(dòng)光子量子狀態(tài)的情況下獲取密鑰信息。換句話說(shuō)，竊聽行為本身會(huì)留下痕跡，在任何信息泄露之前就能被發(fā)現(xiàn)。

圖丨BB84 協(xié)議（來(lái)源：AWS）

這個(gè)協(xié)議的安全性不依賴于任何數(shù)學(xué)難題的假設(shè)，而是直接根植于量子力學(xué)的基本定律。這和當(dāng)時(shí)已經(jīng)廣泛使用的公鑰密碼體系（如 RSA）形成了鮮明對(duì)比。傳統(tǒng)公鑰密碼的安全性建立在一個(gè)前提上：大整數(shù)分解在計(jì)算上極為困難。但這只是“相信很難”，并非“證明不可能”。

1994 年，數(shù)學(xué)家 Peter Shor 提出了量子整數(shù)分解算法，從理論上證明一臺(tái)足夠大的量子計(jì)算機(jī)可以高效破解 RSA。而 BB84 提供的安全性屬于信息論意義上的絕對(duì)安全，即使對(duì)手擁有無(wú)限的算力和一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，也無(wú)法竊取密鑰。

當(dāng)然，論文發(fā)表的那幾年，幾乎沒(méi)人把這件事當(dāng)真。Bennett 后來(lái)回憶說(shuō)，在當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)科學(xué)界，量子效應(yīng)被視為化學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)室里的事情，或許跟哲學(xué)有點(diǎn)關(guān)系，但在實(shí)用層面上只是一種麻煩。兩人的工作長(zhǎng)期游離于主流之外。

轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1989 年 10 月，恰好是 Bennett 和 Brassard 首次會(huì)面的十周年，Bennett 和當(dāng)時(shí)的暑期學(xué)生 John Smolin（現(xiàn)在也是 IBM 研究員）在 Bennett 的辦公室里搭建了第一臺(tái)量子密碼裝置。由于沒(méi)有經(jīng)費(fèi)、也缺乏實(shí)驗(yàn)物理的訓(xùn)練，他們不得不就地取材。

據(jù) Quanta Magazine 報(bào)道，Bennett 和 Smolin 曾跑到一家面料店買了一塊黑色絲絨布來(lái)遮擋雜散光，還跟困惑的店員解釋說(shuō)這是用來(lái)做量子密碼學(xué)的。那臺(tái)裝置實(shí)現(xiàn)了 30 厘米距離內(nèi)的量子密鑰分發(fā)。30 厘米談不上實(shí)用，但它證明了 BB84 不只是紙上談兵。

如今，BB84 的各種變體已經(jīng)在全球多個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò)中投入運(yùn)行，光纖和衛(wèi)星兩條路徑都有實(shí)際部署。中國(guó)的“墨子號(hào)”衛(wèi)星在 2017 年實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 1000 公里距離的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，是迄今最知名的遠(yuǎn)距離演示之一。

密碼學(xué)之外，Bennett 和 Brassard 對(duì)量子信息科學(xué)還有一項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)：量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）。1993 年，兩人與另外四位合作者發(fā)表論文，證明利用量子糾纏和經(jīng)典通信，可以將一個(gè)未知的量子態(tài)從一個(gè)粒子傳遞到另一個(gè)遠(yuǎn)處的粒子上。

糾纏態(tài)的粒子之間存在一種超越距離的關(guān)聯(lián)，測(cè)量其中一個(gè)，另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)即刻確定，無(wú)論它們相隔多遠(yuǎn)。這種關(guān)聯(lián)此前被很多物理學(xué)家視為純粹的哲學(xué)問(wèn)題，而 Bennett 和 Brassard 的工作表明，糾纏可以是一種實(shí)際可用的資源。1997 年，奧地利物理學(xué)家 Anton Zeilinger 團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。Zeilinger 因相關(guān)實(shí)驗(yàn)獲得 2022 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1996 年，Bennett 和 Brassard 又提出了糾纏蒸餾（entanglement distillation）的概念，展示了如何從不完美的糾纏態(tài)中提煉出高質(zhì)量的糾纏，這對(duì)構(gòu)建可擴(kuò)展的量子通信網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。隱形傳態(tài)、糾纏交換、糾纏蒸餾——這些概念在提出時(shí)高度抽象，如今已成為量子工程的核心組件，是正在建設(shè)中的量子互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基石。

值得一提的是，聯(lián)合國(guó)已將 2025 年定為“國(guó)際量子科學(xué)技術(shù)年”，全球?qū)α孔佑?jì)算、量子通信和量子傳感的投資正處于快速上升期。各國(guó)政府和產(chǎn)業(yè)界也在重新評(píng)估現(xiàn)有公鑰密碼體系的長(zhǎng)期安全性。安全專家常提到的一個(gè)概念叫“Q-Day”，指的是量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大到足以破解 RSA 等主流加密算法的那一天。

關(guān)于 Q-Day 何時(shí)到來(lái)，業(yè)界沒(méi)有共識(shí)，有人說(shuō) 2030 年前，有人認(rèn)為還需要更久。但一個(gè)更迫切的風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)存在：攻擊者可以現(xiàn)在就截獲加密數(shù)據(jù)，等量子計(jì)算機(jī)成熟后再解密，這被稱為“先收割，后解密”（harvest now, decrypt later）。NIST 在 2024 年已正式發(fā)布了首批后量子密碼學(xué)（PQC）標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)和歐盟都在推動(dòng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施向抗量子加密方案遷移。

在這個(gè)背景下，Bennett 和 Brassard 四十多年前提出的量子密碼學(xué)路徑獲得了新的關(guān)注。BB84 類協(xié)議提供的安全保障不依賴數(shù)學(xué)假設(shè)，理論上對(duì)量子計(jì)算機(jī)免疫。

當(dāng)然，量子密鑰分發(fā)也面臨自身的工程挑戰(zhàn)：傳輸距離受限、基礎(chǔ)設(shè)施成本高、部署規(guī)模有限。它和基于經(jīng)典數(shù)學(xué)的后量子密碼學(xué)并非替代關(guān)系，更像是兩條平行的防御路徑，各有適用場(chǎng)景。正如 ACM 在公告中所說(shuō)，量子密碼學(xué)連同正在發(fā)展中的抗量子經(jīng)典方案，共同構(gòu)成了未來(lái)數(shù)十年保護(hù)數(shù)字通信的候選路徑。

Bennett 今年 82 歲，仍在 IBM 研究院工作。IBM 的新聞稿指出，他是該公司第七位圖靈獎(jiǎng)得主，前六位分別因 FORTRAN、APL、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、RISC 架構(gòu)、軟件工程和 AI 方面的貢獻(xiàn)獲獎(jiǎng)。Bennett 計(jì)劃將獎(jiǎng)金的一部分捐出。他在 IBM 的博客中表示，這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)確立了“研究信息處理的物理學(xué)”這一方向的重要性，信息不僅是抽象的比特，更是受物理定律支配的實(shí)在資源。

Brassard 則在采訪中說(shuō)，如果職業(yè)生涯中只能選一個(gè)榮譽(yù)，他會(huì)選圖靈獎(jiǎng)。兩人共同獲得過(guò)沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)（2018）、BBVA 基礎(chǔ)科學(xué)前沿知識(shí)獎(jiǎng)、墨子量子獎(jiǎng)和基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)，但圖靈獎(jiǎng)顯然有特殊意義，它來(lái)自計(jì)算機(jī)科學(xué)界，而量子信息科學(xué)的根基恰恰在物理學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交匯處。Brassard 1979 年在康奈爾的博士導(dǎo)師是 1986 年圖靈獎(jiǎng)得主 John E. Hopcroft。四十年后，學(xué)生也站到了同一個(gè)領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上。

從波多黎各海灘上的一次偶遇，到圖靈獎(jiǎng)的百萬(wàn)美元表彰，中間隔了將近半個(gè)世紀(jì)。在這段時(shí)間里，量子信息從一個(gè)被認(rèn)為“有點(diǎn)瘋狂”的邊緣想法，生長(zhǎng)為一個(gè)有自己的學(xué)術(shù)期刊、博士項(xiàng)目、產(chǎn)業(yè)投資和國(guó)家戰(zhàn)略的完整學(xué)科。而它的兩位創(chuàng)始人，一個(gè)至今每天去 IBM 的約克敦高地辦公室上班，另一個(gè)還在蒙特利爾大學(xué)帶研究生。

量子計(jì)算機(jī)何時(shí)成熟、量子互聯(lián)網(wǎng)何時(shí)建成，目前都還沒(méi)有確切答案。但對(duì) Bennett 和 Brassard 來(lái)說(shuō)，他們已經(jīng)完成了最關(guān)鍵的那一步：證明量子世界中藏著經(jīng)典世界無(wú)法企及的計(jì)算能力，然后把這個(gè)認(rèn)知交給了下一代人去實(shí)現(xiàn)。

參考資料：

1.https://awards.acm.org/turing

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍