量子密码理论奠基者Stephen Wiesner 去世了

光子盒研究院出品

“玻色取样”理论提出者Scott Aaronson在其博客上宣布了一个不幸的消息，量子货币理论提出者、2019墨子量子奖获得者Stephen Wiesner在以色列去世了。

Stephen Wiesner是一位犹太裔美国人，出生于1942年。1969年，Wiesner还是哥伦比亚大学物理学的研究生，当时他写了一篇名为《共轭编码》(Conjugate Coding)的论文，可以说是整个量子信息科学领域的基础文献。

这篇论文远远领先于它的时代，以至于它被期刊一次又一次地拒绝，花了将近15年的时间才发表。但后来BB84量子密钥分发(QKD)协议的提出者之一Gilles Brassard告诉Aaronson这不是真的：它被拒绝了一次，期刊名为IEEE Transactions on Information Theory，然后Wiesner干脆搁置了它。

1983年，这篇论文终于在《ACM 算法和计算理论兴趣小组(SIGACT)》发表，SIGACT更像是理论计算机科学家的内部通讯，而不是学术期刊。

但没关系。到了20世纪80年代初，Wiesner的想法已经成功启发了Charlie Bennett和Gilles Brassard，他们将其改造成了第一个量子密钥分发方案——我们现在称之为BB84。

即使Bennett和Brassard因为量子密码的发明而获得科学上的极大赞誉，包括几年前的沃尔夫奖(通常被认为仅次于诺贝尔奖)，在Aaronson参加的一个仪式上，他们总是谦逊地承认他们受到Wiesner的巨大影响。

Stephen Wiesner(草帽)，照片拍摄于2015年6月的耶路撒冷希伯来大学。

共轭编码论文写了什么？Aaronson表示，这是有史以来第一篇提出量子信息(Wiesner称之为“偏振光”或“1/2自旋粒子”，但我们现在称之为量子比特)的工作方式不同于经典比特的论文，在某种程度上，量子信息实际上有助于实现在经典世界中不可能实现的密码任务。

Wiesner在文中写道，使这些加密应用得以实现的是，攻击者或窃听者无法通过物理手段复制未知的量子比特，产生第二个处于相同量子态的量子比特。这一观察——现在被称为“不可克隆定理”——于1982年命名并发表，但Wiesner在其60年代末的手稿中将其视为明显的背景。

然而，Wiesner比这些一般想法更进一步，提出了一个物理上不可能伪造的量子货币的明确方案——半个世纪后，这个方案仍然引起了人们极大的兴趣。在我们现在所称的Wiesner货币方案中，中央银行打印“量子票据”，每一张票据都包含一个经典序列号和一长串量子比特。每个量子比特在四种可能的量子态中制备：

|0⟩

|1⟩

|+⟩ = (|0⟩+|1⟩)/√2

|-⟩ = (|0⟩-|1⟩)/√2

银行在一个中央数据库中存储每一张流通票据的序列号，以及每一张票据的量子比特的制备说明。如果你想核实一张账单是真的——正如Wiesner所知道的，这是一个很大的缺点——你必须把它带回银行。

该银行利用其关于每个量子比特是如何制备的独特知识，在适当的基上测量每个量子比特——例如，|0⟩或|1⟩量子比特的{|0⟩,|1⟩}基，|+⟩或|-⟩量子比特的{|+⟩,|-⟩}基——并检查它是否得到了预期的结果。如果哪怕是一个量子比特产生错误的结果，该票据也会被视为伪造而被拒绝。

现在考虑一个伪造者的情况，他持有一张量子钞票，但是无法访问银行的秘密数据库。当伪造者试图复制钞票时，他们不知道测量每个量子比特的正确基，如果他们做出了错误的选择，那么他们不仅无法复制，甚至会破坏原始副本！ 例如在{|0⟩,|1⟩}基上测量一个|+⟩或|-⟩量子比特，会将量子比特随机坍缩为|0⟩或|1⟩。因此，当银行稍后在正确的{|+⟩,|-⟩}基上测量相同的量子比特时，它会看到错误的结果，并意识到账单已被破坏，概率为1/2(当我们在数百或数千个量子比特上重复时，概率增加到接近1)。

2012年，Molina、Vidick和Watrus第一次严格证明了：在Wiesner货币方案中，任何符合量子力学定律的伪造者，都无法将一张n量子比特的钞票变成两张都能通过银行验证且成功概率大于(3/4)n的钞票(这是很严格的)。但Wiesner早在20世纪60年代就有了这样清晰的直觉。

Aaronson表示，Wiesner关于量子货币的旧思想现在已经有了足够好的理论形态，目前实现它的主要障碍仅仅是“工程难题”——也就是说，如何将量子比特放在一张账单里，放在口袋里或者其他什么地方，以保持它们的量子相干性超过几纳秒！(或者可能几个小时，如果你愿意去任何地方都带着制冷机的话。)

除了是量子货币理论提出者以外，Wiesner的人生也颇具有传奇色彩。他在几十年前就离开美国，移民以色列，信奉正统犹太教，并在耶路撒冷做建筑工人。

用他的话来说，退出学术界，找一份“真正的工作”，“法西斯主义和反犹太主义浪潮即将席卷美国，就像20世纪30年代的德国一样。”但他并没有彻底退出学术界，还会经常参见一些研讨会。

他的父亲Jerome Wiesner是MIT电子系教授，曾担任美国肯尼迪总统科学顾问委员会主席，在1971到1980年担任MIT校长。虽然不知道细节，但Wiesner承认与父亲的关系很差。他信奉正统犹太教，至少在某种程度上是对父亲所支持一切的反对，包括激进的科学无神论。

Wiesner最后一次出现在公众视野，或许是2019年墨子量子奖。凭借首次提出了共轭编码的概念并发明了无法伪造的“量子货币”方案，启发了后续的实用化量子密码方案，Wiesner获得了人民币100万元的奖金和一枚金牌。

Wiesner独特的、非凡的、不可复制的人生轨迹提出了一个问题：我们这个时代年轻的Stephen Wiesner是谁？我们会比Wiesner的同时代人更快地认识到他们的远见吗？

封面来源：Lev Vaidman

参考链接：

https://www.scottaaronson.com/blog/?p=5730

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