2025圖靈獎(jiǎng)花落兩位量子信息科學(xué)先驅(qū)！一篇漫畫帶你解讀：量子密碼學(xué)是怎么來的

3月18日，美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）宣布，加拿大學(xué)者吉勒斯·布拉薩德（Gilles Brassard）和美國學(xué)者查爾斯·本內(nèi)特（Charles H. Bennett）獲得2025年度圖靈獎(jiǎng)，以表彰他們“建立量子信息科學(xué)基礎(chǔ)以及變革安全通信與計(jì)算方面所發(fā)揮的關(guān)鍵作用 (for their essential role in establishing the foundations of quantum information science and transforming secure communication and computing)”。

ACM A.M.圖靈獎(jiǎng)通常被稱為“計(jì)算領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)”，該獎(jiǎng)項(xiàng)的名稱取自闡明計(jì)算數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的英國數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈（Alan M. Turing）。作為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的國際最高榮譽(yù)獎(jiǎng)項(xiàng)，此次圖靈獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給兩位量子信息科學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)學(xué)者，充分體現(xiàn)量子通信與量子網(wǎng)絡(luò)的重要價(jià)值已經(jīng)得到了國際計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可和高度重視。

Charles H. Bennett與Gilles Brassard的開創(chuàng)性工作從根本上改變了信息安全的格局，并且建立了量子密碼學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)。如同本次圖靈獎(jiǎng)的介紹中所述，“量子密碼學(xué)，連同新興的經(jīng)典方法（即后量子密碼，PQC）——盡管該方法尚未有安全性證明，代表了未來幾十年保障數(shù)字通信安全的途徑之一。”量子密碼學(xué)是怎么來的？量子通信到底是怎么一回事？一篇漫畫帶你解讀。

在 1960 年代，有一個(gè)名叫威斯納（ Stephen Wiesner ）的本科生，他在美國布蘭蒂斯大學(xué)上學(xué)時(shí)，就開始對(duì)量子物理學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。一般的本科生學(xué)了量子物理學(xué)以后，通常也就是放幾句“將來我要拿諾貝爾獎(jiǎng)”的狂言，然后灰溜溜地畢業(yè)滾蛋。但威斯納與眾不同，他學(xué)會(huì)量子物理學(xué)后，忽然想到一個(gè)能發(fā)財(cái)?shù)狞c(diǎn)子！

原來，在量子物理學(xué)中有一個(gè)奇怪的定理，叫作“量子不可克隆定理”。它的意思是說，如果你制造了一個(gè)量子態(tài) X ，并且對(duì)外界保密，那么任何人都不可能像我們用 Ctrl + C 、Ctrl + V 那樣，克隆一個(gè)跟它一模一樣的量子態(tài)出來。

知道了這個(gè)原理后，威斯納忽然想到一個(gè)辦法，可以把它應(yīng)用到實(shí)際生活中。威斯納想，市面上不是有很多假鈔嗎？如果我制造一種量子鈔票，像打水印一樣往每張鈔票放入不同的秘密的量子態(tài)，別人豈不是永遠(yuǎn)也無法偽造或復(fù)制了嗎？

但是，你可能會(huì)問了，既然偽造者復(fù)制不了量子態(tài)，那他能不能測(cè)量一下其中一張鈔票中的量子態(tài)是什么，然后照著測(cè)量的結(jié)果仿造一大堆偽鈔呢？答案是不能。這是因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中，還有一個(gè)奇怪的原理，叫作“測(cè)不準(zhǔn)原理”。也就是說，任何偽造者都不可能只測(cè)一次，就準(zhǔn)確測(cè)出量子態(tài)的全部特征來。

更加奇怪的是，量子態(tài)還有個(gè)毛病，叫做“只能測(cè)一次”。不論是誰，只要對(duì)任何一個(gè)量子態(tài)做一次測(cè)量，那個(gè)量子態(tài)就會(huì)瞬間坍縮，徹底變成另外一個(gè)狀態(tài)。所以，如果第一次沒測(cè)準(zhǔn)，那么永遠(yuǎn)也不會(huì)有第二次機(jī)會(huì)了。所以，如果威斯納設(shè)想的量子鈔票真的能夠?qū)崿F(xiàn)，那么只要量子物理學(xué)沒有被推翻，它就真的可以從物理上實(shí)現(xiàn)“不可偽造”、“不可復(fù)制”的愿望。

當(dāng)然，威斯納后來并沒有發(fā)財(cái)。因?yàn)樗脑O(shè)想只是在原理上可行，在技術(shù)上還實(shí)現(xiàn)不了。威斯納想，發(fā)不了財(cái)沒關(guān)系，發(fā)篇論文應(yīng)該是妥妥的。于是，威斯納把他的理論寫成了一篇論文，投給了 IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的一家期刊，結(jié)果卻慘遭拒絕。原因也很好理解，IEEE的那份期刊從編輯到審稿人都是搞信息科學(xué)的，根本看不懂這篇寫滿了量子物理學(xué)符號(hào)的論文。

在挫折面前，威斯納并沒有對(duì)自己的理論失去信心。俗話說的好，是金子總會(huì)發(fā)光！他立志一定要讓世人知道他的理論。于是，威斯納只要逮到機(jī)會(huì)，就會(huì)宣傳自己的“量子鈔票”理論，結(jié)果遭受了更多挫折！

幸好，威斯納有個(gè)好基友，叫作本奈特（ Charles Bennett ），當(dāng)時(shí)在哈佛讀研究生。于是，威斯納就去波士頓找本奈特，把自己的這個(gè)想法告訴了他。別人可以不懂威斯納，但是本奈特不可能不懂威斯納。

聽了“量子鈔票”的理論，本奈特大為贊嘆。于是，作為好基友，他只要逮到機(jī)會(huì)，便向他人介紹威斯納的理論。只是在當(dāng)時(shí)，面對(duì)如此超前的理論，回應(yīng)者始終是寥寥無幾。

就這樣過去了十幾年，直到 1979 年。

當(dāng)時(shí)，加勒比海的一個(gè)島國叫波多黎各正在舉辦一場(chǎng)信息科學(xué)的國際會(huì)議。由于波多黎各是著名的海濱度假圣地，在會(huì)議期間，科學(xué)家們總會(huì)忙里偷閑，跳到大海里暢游一番。

有一天，一位叫布拉薩德的博士生（ Gilles Brassard ）正在海里游泳，忽然，他發(fā)現(xiàn)有一個(gè)人迎面向他游過來，越來越近，越來越近，然后……

經(jīng)過一通海聊，布拉薩德終于搞清楚了。對(duì)面的這個(gè)人不是壞人，而是在他讀過的一篇文章中講到的一個(gè)科學(xué)研究的作者本人，叫本奈特。

當(dāng)然啦，本奈特也不是隨便搭訕?biāo)摹２祭_德曾經(jīng)在國際會(huì)議上要做了一個(gè)報(bào)告，內(nèi)容是“相對(duì)密碼學(xué)”。本奈特覺得這人肯定會(huì)對(duì)“量子鈔票”理論感興趣，所以特地游過來搭訕?biāo)?/p>

布拉薩德和本奈特兩個(gè)年輕科學(xué)家一見如故。他們的思想經(jīng)過劇烈碰撞后，很快發(fā)現(xiàn)，用“量子鈔票”的理論造鈔票雖然不行，但是可以往密碼學(xué)上面套啊！他們連忙潛心研究，在 1982 年時(shí)合寫了一篇論文，向世人介紹了一個(gè)新的理論，叫作 “量子密碼學(xué)” 。于是，在量子物理學(xué)誕生 82 年后，它和傳統(tǒng)密碼學(xué)的結(jié)晶，量子密碼學(xué)問世了。

不過，跟“量子鈔票”理論一樣，布拉薩德和本奈特一開始提出的 “量子密碼學(xué)” 方案，也有一個(gè)明顯不實(shí)用的地方。他們的初衷看起來很好，“用量子態(tài)來儲(chǔ)存關(guān)鍵信息”，可是，在 70、80 年代時(shí)，人們最擅長(zhǎng)操縱的量子態(tài)是在真空中永遠(yuǎn)以光速飛行的光子。想想看，你能把光子儲(chǔ)存在口袋里，需要用的時(shí)候再拿出來用嗎？

光子就是用來傳播信息的，怎么能儲(chǔ)存在口袋里呢？于是，布拉薩德和本奈特靈機(jī)一動(dòng)想到，既然光子不適合儲(chǔ)藏，只適合傳播，那我們干嘛不發(fā)揮它的特長(zhǎng)，讓它來傳遞某種“不可偽造”、“不可復(fù)制”的重要信息呢？

就這樣，在 1983 年，布拉薩德和本奈特又提出了一個(gè)新的理論。在這個(gè)理論中他們證明，科學(xué)家可以用光子形成的量子態(tài)，傳輸一組任意長(zhǎng)的隨機(jī)密鑰。這個(gè)密鑰非常安全，發(fā)送者和接收者可以放心地用它來加密或解密一段信息。不用擔(dān)心竊聽，不用擔(dān)心偽造，因?yàn)榱孔游锢韺W(xué)中的“測(cè)不準(zhǔn)原理”和“不可克隆定律”，保證了它的完全性。這個(gè)理論就是后來支撐了量子密碼學(xué)半邊天的量子密鑰分發(fā)。

有趣的是，布拉薩德和本奈特在為他們的理論投稿時(shí)，只能把長(zhǎng)篇大論縮寫成寥寥幾句話，因?yàn)樗麄兠闇?zhǔn)的 1983 年度頂級(jí)信息論會(huì)議 ISIT 只接受“論文摘要”。

俗話說得好，在家靠父母，出門靠朋友。布拉薩德也有一個(gè)好基友，叫作巴爾加瓦（ Vijay Bhargava ）。巴爾加瓦正好在負(fù)責(zé)下一年的IEEE會(huì)議。于是，在巴爾加瓦的邀請(qǐng)下，布拉薩德和本奈特將他們的新理論寫成了一篇文章，發(fā)表在了 1984 年的一次IEEE的會(huì)議上。正是因?yàn)檫@篇論文，他們的理論終于獲得了更廣泛的關(guān)注。并且，該理論最終以他們二人的姓名首字母命名，叫作BB84 協(xié)議（ BB84 protocol ）。

就這樣，從 1960 年代威斯納不切實(shí)際的“量子鈔票”開始，到 1984 年 BB84 協(xié)議的發(fā)表，量子密碼學(xué)終于正式誕生了。

作者：Sheldon

繪制：賞鑒

美指、對(duì)白：牛貓

排版：胡豆

鳴謝：徐飛虎

注：

1.BB84協(xié)議的原始論文，至今已經(jīng)被引用了已經(jīng)超過7000多次。

BB84文章的引用次數(shù)

2. 經(jīng)過30多年的發(fā)展，量子密碼學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門理論與實(shí)驗(yàn)交相呼應(yīng)的成熟學(xué)科。1989年，科學(xué)家在32.5厘米的距離上，第一次驗(yàn)證了BB84協(xié)議的設(shè)想。在2016年8月，中國發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，成功地將這一距離拓展到了1200千米。

3. 在1983年時(shí)，威斯納的論文終于在國際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)的一份期刊Sigact News上發(fā)表了。更有趣的是，一位叫魏德曼（Doug Wiedemann）的計(jì)算機(jī)科學(xué)家讀了威斯納文章后，在1997年獨(dú)立發(fā)明了跟BB84一模一樣的協(xié)議。他不但將自己發(fā)明的協(xié)議也發(fā)表在Sigact News上，還給它起了一模一樣的名字，叫作“量子密碼學(xué)”。

參考文獻(xiàn)：

1. Nicolas Gisin, and et. al., Quantum cryptography, Rev. Mod. Phys. 74, 145-195 (2002).

2. http://arxiv.org/abs/quant-ph/0604072v1