2025圖靈獎(jiǎng)揭曉：兩位科學(xué)家用40年時(shí)間，把科幻變成了現(xiàn)實(shí)

導(dǎo)讀：當(dāng)科幻電影里的"瞬間傳送"和"絕對(duì)安全通信"成為現(xiàn)實(shí)，我們?cè)撊绾卫斫膺@項(xiàng)技術(shù)對(duì)人類(lèi)的意義？2025年圖靈獎(jiǎng)得主用40年時(shí)間，從一張餐巾紙上的草圖，開(kāi)啟了量子信息時(shí)代的大門(mén)。

一個(gè)改變世界的偶遇

1979年，波多黎各。

在IEEE計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)研討會(huì)的咖啡休息區(qū)，一位IBM的年輕研究員查爾斯·貝內(nèi)特（Charles Bennett）正獨(dú)自思考著量子物理與信息理論的交叉問(wèn)題。這時(shí)，一位來(lái)自加拿大的年輕學(xué)者吉爾斯·布拉薩德（Gilles Brassard）走了過(guò)來(lái)。

兩人開(kāi)始聊起了密碼學(xué)——那個(gè)時(shí)代的互聯(lián)網(wǎng)還未誕生，但信息安全的種子已經(jīng)在科學(xué)家心中萌芽。

貝內(nèi)特向布拉薩德提到了一個(gè)瘋狂的想法：如果利用量子力學(xué)的基本原理，或許可以創(chuàng)造出理論上絕對(duì)安全的通信方式。布拉薩德的眼睛亮了。他們不知道，這次偶然的對(duì)話，將在未來(lái)40年里徹底改變?nèi)祟?lèi)對(duì)信息、計(jì)算和安全的理解。

BB84：一張餐巾紙上的革命

1984年，貝內(nèi)特和布拉薩德發(fā)表了一篇只有4頁(yè)的論文，提出了后來(lái)被稱(chēng)為"BB84"的量子密鑰分發(fā)協(xié)議。

這個(gè)協(xié)議的核心思想簡(jiǎn)單到令人震驚：利用量子力學(xué)最基本的原理——觀測(cè)會(huì)改變被觀測(cè)對(duì)象——來(lái)檢測(cè)是否有人在偷聽(tīng)通信。

想象一下這個(gè)場(chǎng)景：愛(ài)麗絲想給鮑勃發(fā)送一條秘密消息。她通過(guò)光纖發(fā)送一系列光子，每個(gè)光子代表一個(gè)比特的信息（0或1）。但這里有個(gè)關(guān)鍵技巧——愛(ài)麗絲隨機(jī)選擇不同的"偏振方向"來(lái)編碼這些光子。

如果竊聽(tīng)者伊芙試圖攔截這些光子并測(cè)量它們，根據(jù)量子力學(xué)的規(guī)律，她必然會(huì)在某些情況下"猜錯(cuò)"測(cè)量方式。這種錯(cuò)誤會(huì)立即被愛(ài)麗絲和鮑勃發(fā)現(xiàn)——就像有人在偷聽(tīng)電話時(shí)，電話線會(huì)發(fā)出雜音一樣。

「量子密碼學(xué)的安全性不是基于數(shù)學(xué)難題的計(jì)算復(fù)雜度，而是基于物理定律本身?！共祭_德后來(lái)這樣解釋?zhuān)讣词垢`聽(tīng)者擁有無(wú)限的計(jì)算能力，甚至擁有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，也無(wú)法破解BB84協(xié)議。」

1989年，貝內(nèi)特和布拉薩德在IBM實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了世界上第一次量子密碼學(xué)演示。當(dāng)時(shí)的光子傳輸距離只有32厘米——差不多一張桌子的長(zhǎng)度。但這32厘米，是人類(lèi)邁向量子通信時(shí)代的第一步。

量子隱形傳態(tài)：比科幻更科幻

如果說(shuō)量子密碼學(xué)已經(jīng)足夠驚人，那么貝內(nèi)特和布拉薩德在1993年的另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，則徹底顛覆了人們對(duì)"傳送"的理解。

他們與克里波、喬薩、佩雷斯和伍特斯合作，提出了量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation）的概念。

注意，這不是《星際迷航》里那種把人分解成粒子再重組的科幻場(chǎng)景。量子隱形傳態(tài)傳送的不是物質(zhì)，而是量子信息——一個(gè)粒子的完整量子狀態(tài)。

這個(gè)過(guò)程聽(tīng)起來(lái)像魔法：愛(ài)麗絲有一個(gè)處于未知量子狀態(tài)的粒子A，她想把這個(gè)狀態(tài)傳給遠(yuǎn)處的鮑勃。她不需要知道A的具體狀態(tài)，只需要讓A與另一個(gè)粒子B（與愛(ài)麗絲和鮑勃共享的糾纏粒子對(duì)中的一個(gè)）進(jìn)行某種"聯(lián)合測(cè)量"，然后把測(cè)量結(jié)果通過(guò)經(jīng)典通信告訴鮑勃。鮑勃根據(jù)這些信息對(duì)自己手中的粒子C進(jìn)行相應(yīng)操作，C就會(huì)變成與A完全相同的量子狀態(tài)。

而原來(lái)的粒子A，在這個(gè)過(guò)程中已經(jīng)失去了它的量子狀態(tài)——它"被銷(xiāo)毀了"。

這完美遵守了量子力學(xué)的一個(gè)基本定理：不可克隆定理。你無(wú)法復(fù)制一個(gè)未知的量子狀態(tài)，但你可以把它從一個(gè)地方"轉(zhuǎn)移"到另一個(gè)地方。

1997年，兩個(gè)獨(dú)立的研究團(tuán)隊(duì)——一個(gè)由桑杜·波佩斯庫(kù)領(lǐng)導(dǎo)，另一個(gè)由安東·蔡林格領(lǐng)導(dǎo)——首次在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。此后，這項(xiàng)技術(shù)不斷突破：2004年多瑙河底600米光纖傳輸，2012年加那利群島之間143公里的自由空間傳輸，2017年中國(guó)"墨子號(hào)"衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的1400公里地星傳輸……

為什么這項(xiàng)研究如此重要？

對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)，量子信息科學(xué)可能聽(tīng)起來(lái)遙遠(yuǎn)而抽象。但它的影響已經(jīng)滲透到現(xiàn)代科技的方方面面。

首先，量子密碼學(xué)正在進(jìn)入實(shí)用階段。中國(guó)已經(jīng)建成了超過(guò)2000公里的量子保密通信"京滬干線"；多家公司（包括ID Quantique、東芝、國(guó)盾量子等）已經(jīng)推出了商用量子密鑰分發(fā)設(shè)備。在醫(yī)療、金融、政府通信等對(duì)安全性要求極高的領(lǐng)域，量子加密正在成為一種可行的選擇。

其次，量子隱形傳態(tài)是量子互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)將能夠連接分布在世界各地的量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)無(wú)法完成的任務(wù)。2020年，美國(guó)能源部發(fā)布了建設(shè)量子互聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)圖；中國(guó)、歐盟、日本等國(guó)家和地區(qū)也在大力投入相關(guān)研究。

第三，這些發(fā)現(xiàn)為量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。貝內(nèi)特和布拉薩德的研究揭示了量子信息的基本規(guī)律，這些規(guī)律是設(shè)計(jì)量子算法和量子計(jì)算機(jī)的必備知識(shí)。今天，IBM、谷歌、微軟、IonQ等公司正在競(jìng)相建造實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，而這些努力都建立在貝內(nèi)特和布拉薩德等先驅(qū)者打下的理論基礎(chǔ)之上。

從邊緣到主流：40年的堅(jiān)持

回顧這段歷史，最令人感慨的是這兩位科學(xué)家的遠(yuǎn)見(jiàn)和堅(jiān)持。

1984年，當(dāng)BB84協(xié)議發(fā)表時(shí)，量子信息科學(xué)幾乎是一個(gè)邊緣領(lǐng)域。大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為這些研究"很有趣，但沒(méi)有實(shí)際意義"。貝內(nèi)特和布拉薩德在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都是這個(gè)領(lǐng)域的"孤獨(dú)行者"。

布拉薩德后來(lái)回憶道：「在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們認(rèn)為量子計(jì)算和量子密碼學(xué)只是理論上的玩具，永遠(yuǎn)不會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。但我們相信物理定律的力量?！?/p>

他們的堅(jiān)持最終得到了回報(bào)。進(jìn)入21世紀(jì)后，量子信息科學(xué)迎來(lái)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。2018年，他們共同獲得沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)；2022年，他們獲得基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)（被稱(chēng)為"科學(xué)界的奧斯卡"）；2023年，他們獲得愛(ài)德華·萊茵基金會(huì)技術(shù)獎(jiǎng)……

如今，2025年圖靈獎(jiǎng)的桂冠，是對(duì)他們40年開(kāi)創(chuàng)性工作的最高認(rèn)可。

100萬(wàn)美元獎(jiǎng)金背后的人類(lèi)智慧

圖靈獎(jiǎng)被譽(yù)為"計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)"，獎(jiǎng)金100萬(wàn)美元。但貝內(nèi)特和布拉薩德獲得這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的意義，遠(yuǎn)不止金錢(qián)。

他們的工作證明了基礎(chǔ)科學(xué)研究的長(zhǎng)期價(jià)值。在BB84協(xié)議發(fā)表后的前20年里，幾乎看不到任何商業(yè)應(yīng)用的可能。但40年后，這項(xiàng)技術(shù)正在改變信息安全的格局。

他們的故事也展示了科學(xué)合作的力量。貝內(nèi)特（82歲）和布拉薩德（70歲）跨越國(guó)界、跨越機(jī)構(gòu)，在40多年的時(shí)間里持續(xù)合作，這在學(xué)術(shù)界是極為罕見(jiàn)的。

更重要的是，他們的發(fā)現(xiàn)揭示了自然界的一個(gè)深刻真理：信息是物理的。信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理，都受到物理定律的約束。理解這些約束，就能找到新的可能性；利用這些約束，就能創(chuàng)造前所未有的技術(shù)。

未來(lái)已來(lái)

當(dāng)我們使用智能手機(jī)、進(jìn)行網(wǎng)上銀行交易、發(fā)送加密郵件時(shí)，我們很少思考背后的密碼學(xué)原理。但貝內(nèi)特和布拉薩德提醒我們：今天的安全體系并非永恒。

隨著量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)有的許多加密算法（如RSA）將面臨被破解的風(fēng)險(xiǎn)。而量子密碼學(xué)——正是貝內(nèi)特和布拉薩德40年前開(kāi)創(chuàng)的領(lǐng)域——提供了一種從根本上不同的安全保證。

這不是科幻，這是正在發(fā)生的現(xiàn)實(shí)。

從波多黎各咖啡休息區(qū)的一次偶遇，到改變世界的科學(xué)發(fā)現(xiàn)；從32厘米的光纖傳輸，到跨越1400公里的衛(wèi)星通信；從被主流學(xué)術(shù)界忽視的邊緣研究，到圖靈獎(jiǎng)的至高榮譽(yù)——貝內(nèi)特和布拉薩德用40年時(shí)間，把人類(lèi)帶入了一個(gè)全新的信息時(shí)代。

正如谷歌高級(jí)副總裁杰夫·迪恩（Jeff Dean）在祝賀聲明中所說(shuō)：「他們的工作不僅奠定了量子信息科學(xué)的基礎(chǔ)，更為未來(lái)的計(jì)算和通信技術(shù)開(kāi)辟了無(wú)限可能?！?/p>

而對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這個(gè)故事的最大啟示或許是：最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，往往始于一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，和敢于追問(wèn)的勇氣。