现代密码学之父，姚期智

出品  光子盒研究院

两个百万富翁如何在不向对方透露任何身家信息的前提下比较各自的财富？

这就是著名的“姚氏百万富翁之问”。

疫情期间， 姚期智正在准备线上的课程，反复测试直至深夜，似乎忘了自己已经74岁了。

他仍然承担着繁重的教学任务：除了带博士生做研究、亲自指导本科生的毕业设计外，每周还要为本科生讲4小时的课。

姚期智是谁？

唯一获得“图灵奖”的华人计算机科学家、美国国家科学院院士、美国人文科学院院士、中国科学院院士，在美国从事科研长达36年时间。

2004年，姚期智辞去普林斯顿大学终身教授一职，震惊美国学术界。

此后，姚期智在清华大学担任全职教授，16年来先后创办计算机实验班（姚班）、人工智能实验班（智班）以及清华大学交叉信息研究院。

2011年，姚期智搭建并领导清华大学量子信息中心，自此清华大学成为继中国科大后又一量子信息研究的“殿堂”。

现代密码学的奠基人

1946年12月，姚期智生于上海，长于台湾。1957年，杨振宁和李政道获诺贝尔物理奖，也激励了这位天才少年的物理梦。

姚期智21岁获台湾大学物理学士学位，接着赴美留学，1972年获哈佛大学物理学博士学位。

他的轨迹，本朝向物理大家，但另一半影响了他。

姚期智说过：“图灵奖”只是我一生中最成功的两件事之一，另一件事是娶到了储枫。

在哈佛和麻省的一次野餐会上，姚期智遇见了储枫，对方就读于MIT计算机科学系。

业内称他们为学术夫妻，在储枫的建议下，姚期智从物理转向计算机，进入伊利诺伊大学攻读计算机科学博士，3年就拿到了学位。

之后任教麻省理工学院、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、普林斯顿大学等。姚期智的学术贡献主要包括了计算复杂性、密码学、量子计算等三大领域。

在计算复杂性问题上，1977年，姚期智提出了 Yao's min-max principle，这一原理成为了推理随机算法与复杂度的基本技术，也已经应用于属性测试与学习理论等领域。

1978 年，姚期智在《Should tables be sorted?》论文中，介绍了一种名为cell-probe model的数据结构抽象模型，目前已经被广泛应用于创建算法的下限证明。

1982年，姚期智离开加州大学伯克利分校到斯坦福大学任教，研究重心从原来的算法理论逐渐转移到密码学、安全计算领域。姚期智提出了若干现代密码学的核心概念。例如伪随机(Pseudorandomness)，计算不可区分(Computational indistinguishability)，陷门单向函数 (Trapdoor one-way functions)。全都是现代密码学不可或缺的骨架。

回到开头的问题，这就是现代密码学的开始。

姚期智给出的答案是：通过生成随机数，加上公开密钥与私有密钥的加密再进行比较，避免了实数域的有序性和加减的可逆性带来多余信息的暴露。

后来这一问题衍生为现代密码学中非常活跃的研究领域，即安全多方计算。目前已经被广泛应用于解决数据挖掘、数据库查询、科学计算等许多计算领域的问题。姚期智自然也成为了现代密码学的奠基人。

上世纪90年代后，在普林斯顿大学任教期间，姚期智开始着手开展量子计算、通信及信息理论方面的工作。当时研究量子计算的主要是物理学家，而姚期智是最早进入量子信息领域的极少数计算机学家之一。

作为研究网络通讯复杂性理论的前驱，姚期智于1993年最先提出量子通信复杂性，奠定了量子计算机的理论基础。他首次证明了量子图灵机模型与量子电路模型的等价性。

1995年，姚期智提出了分布式量子计算模式，后来成为了分布式量子算法和量子通讯协议安全性的基础。

2000年，凭借在伪随机数生成、密码学与通信复杂度的突出贡献，姚期智荣膺图灵奖（A.M. Turing Award），成为迄今为止获得此项殊荣的唯一华人计算机科学家。

“我们的目标不是培养优秀的程序员”

姚期智回国之初，原本计划尽快构建一个培养博士生的良好机制，打造一支好的研究团队。但随后在清华的亲身感受，让他逐渐萌生了精英教育要从本科生抓起的想法。

中国的教育，注重专业教育，对于通才教育，忽略多年。无形之中，限制了学术视野，不少高端人才，开放性思维不够。所以，姚期智下“笨工夫”，从本科生做起。

2005年春季，由姚期智主导并与微软亚洲研究院共同合作的“软件科学实验班”（后更名为“计算机科学实验班”）在清华成立，首期59名学生选自全校大一、大二的学生。后来人们更习惯用他的名字称呼这个有点特殊的班级——“姚班”。

姚期智希望能以他在国外多年的理论研究与教学经验，把“姚班”的学生培养成为具有麻省理工、斯坦福同等水平的世界顶尖计算机科学人才。“我们的目标并不是培养优秀的计算机软件程序员，我们要培养的是具有国际水平的一流计算机人才。”

为了实现这个目标，姚期智亲自为“姚班”制定培养方案和教学计划，专门为“姚班”精心设计了核心课程，并亲自执教其中的6门课，这些课程覆盖了计算机科学的前沿领域。

姚期主讲的“理论计算机科学（1）（2）”成为国内首次开设的计算机理论课程，主要内容正是他最精通的计算机算法设计和复杂性领域。

姚期智还带来了一个6人至10人的讲席教授组，他们都是国际上算法和复杂性领域最出色的华人学者。除了对各自重点负责的博士生进行学术指导和提供国际交流的机会，讲席教授平均每人每年会在清华呆1～2个月。

在姚期智的邀请下，图灵奖、奈望林纳奖、哥德尔奖获得者等顶尖学者、大师相继走进清华的课堂。

普林斯顿高等研究院的Avi Wigderson教授，美国两院院士、1985年“图灵奖”得主Richard Karp，因提出RSA密码获得2002年“图灵奖”的著名密码学家Adi Shamir……这些星光熠熠的名字都曾出现在清华的访问学者名单上。

为了“姚班”，姚期智甚至发动了“最身边的力量”。他的夫人、香港城市大学的储枫教授也为“姚班”学生开设“博弈论”课程。

请进来的同时，也要走出去。他为班级开设了许多国际交流项目，比如，三年级学生可全体赴香港大学、香港中文大学等高校进行访问和交流。四年级学生可以到著名研究院所，进行科研实践及毕业设计。每年选送优秀的学生，到哈佛、麻省理工等一流名校进行交流学习。

2010年8月，清华计算机科学与技术学科进行国际评估，以图灵奖得主、美国康奈尔大学John Hopcroft教授为首的评估专家组对清华的计算机科学实验班给予了极大肯定，专家们一致认为，这里“拥有最优秀的本科生和最优秀的本科教育”。

直到现在，姚期智仍然坚持为每一届本科生上课。“姚班”全英文授课，全英文交流。没有国界，没有教材，没有界限分明！有的只是一颗颗同样对学习热忱的心！

姚期智教授在清华课堂上

“你的iPod里有一万首歌，假定唱完一首歌一分钟，那你要重复听到之前的歌需要多久？”“男女生如何选择约会对象，成功概率最高？”……

这些问题都来自姚期智的《计算机应用数学》课堂，虽然讲授的内容以数学推导和演算为主，但是姚期智总能在讲解过程中“拎”出一些贴近学生生活实际的例子。

他会在课前花大量的时间，准备课程内容、习题，下课后继续跟助理讨论学生的情况。由于采取全英文的授课方式，为了防止有学生掉队，姚期智请助教在每周的小班习题课上用中文讲解、答疑。

2019年再次出发，清华大学宣布人工智能班（“智班”）成立，姚期智出任首席教授。他仍然没有丝毫懈怠，亲自梳理了每一门课的培养方案，并开设《人工智能应用数学》课程。

教书育人的同时，姚期智先后在清华建立了理论计算机科学研究中心、清华大学—麻省理工学院—香港中文大学理论计算机科学研究中心，并在这些努力的基础上，于2011年成立了清华大学交叉信息研究院与量子信息中心。

“未来等于量子计算+人工智能”

2011年，交叉信息研究院与量子信息中心同期揭牌，他又多了一个新的身份——清华大学交叉信息研究院的管理者。挖掘优秀人才，让他们发挥自身最大潜能，是姚期智管理工作的一条主线。

而在姚期智寻觅世界优秀人才、发展信息科学交叉研究的道路上，段路明的出现无疑为交叉信息研究院的未来增添了新的可能。

段路明1994年进入中科大物理系，硕士期间，他对量子计算产生了兴趣，在论文中看到了Andrew Yao（姚期智英文名）的名字。后来，在密歇根大学任教的段路明听闻姚期智回国到清华工作，十分感慨：“姚先生是一位了不起的科学家”。

2010年10月的一天上午，北京已是深夜，段路明在密歇根大学正准备给学生上课，突然身边的电话响了，他万万没想到，电话那头居然是姚期智本人。

当时姚期智正计划在清华组建一支能在量子计算领域做出创新工作的团队。姚期智曾经亲眼见证了中国在世界微电子领域竞争中的“错过”，他意识到未来量子信息和量子科技将成为新的发展点，中国必须得跟上。于是，他想到了段路明。

段路明是量子信息物理实现方面国际年轻的领军者之一，他在量子网络、量子计算机、长程量子通讯以及量子仿真物理实现方面的研究在量子信息领域有广泛而深入的影响。

姚期智在电话里表示希望段路明发挥在实验设计方面的优势，为清华成立量子网络研究平台作出开创性的工作。两个星期后，姚期智专程飞到密歇根大学与他会面。经过这次为期几天的停留，姚期智与段路明初步勾勒出清华量子信息中心的蓝图。

两个月后，也就是2010年岁末，段路明加盟清华量子信息中心的建设。凭借姚期智在学术界的威望，以及段路明在物理学界的影响，积极延揽人才，量子信息领域一批年轻学者开始将目光投向清华。

清华量子信息中心致力于在量子信息领域竞争中，占据国际领先的位置，主要研究方向包括全量子网络、量子计算、量子仿真、量子算法、量子通讯复杂性理论、量子运筹学等。先后承担973先导项目“全量子网络”、教育部“清华量子信息中心建设”专项，科技部量子计算重点研发项目等国家重大项目等。

经过10年发展，量子中心已搭建包括离子量子计算、金刚石色心量子计算、超导量子计算、光量子网络、原子量子中继等多个量子计算的实验研究平台及微纳加工超净间。

近年来取得了重要的研究成果。2014年10月，段路明研究组首次在常温固态系统中实现了抗噪的几何量子计算。

研究组利用激光、微波和射频波对金刚石样品中的这些量子比特进行几何调控，在常温下实现了高保真度的普适量子逻辑门。普适量子逻辑门是量子计算的单元，其组合即能实现任意的量子计算。

2016年6月，段路明研究组首次实现从光子到宏观金刚石振动模式的量子隐态传输。完成对多个互补量子态的隐态传输，平均保真度超过90%，远高于经典极限66.7%，充分验证隐态传输的量子性，实现了常温宏观金刚石样片的量子相干调控。

光子到金刚石集体振动模量子隐态传输的示意图

2017年5月，段路明研究组首次实现具有225个存储单元的原子量子存储器，将量子存储器存储容量的国际记录提高了一个多数量级。《自然》审稿人认为，“实现225个单元的量子存储是量子存储器实用化发展方面的一个重要里程碑”。

实验演示任意原子存储单元与光子间的量子纠缠存储

产业化方面，清华大学与九州量子公司成立量子网络联合实验室，致力于促成量子网络技术在量子产业化中的应用，关注量子网络关键器件的研发以及量子保密通信网络方案的分析与优化。

而姚期智本人也加入到创业大军中来，2017年开始，他出任自动驾驶公司Pony.ai、视觉识别公司旷视Face++的首席顾问，以科学家身份给两家公司提供智囊建议。这两家公司的创始人楼天城、印奇、唐文斌以及杨沐等都是姚期智亲自带出的学生。

2018年，72岁的姚期智在南京创办了图灵人工智能研究院，以加快人工智能研究、应用和普及，像水、电一样融入千家万户、每一个人的生活。

在姚期智看来，发展人工智能，量子计算是必不可少的一环。“如果能够把量子计算机和AI放在一起，我们可能做出连大自然都没有想到会有如此结果的事情。”

记得去年杨振宁获“求是终身成就奖”时，在颁奖现场，他对自己的事情谈得不多，反而是念起了一首名为《借放翁句告儿孙》的诗: 死去原知万事空，但悲十亿尚寒穷……神州经技飞腾日，家祭毋忘告乃翁。受杨老的影响，姚期智这样的大神也选择在57岁时归国，而就凭姚老74岁还站在讲台上的劲头，我们的科技，未来可期。