四位量子信息领域先驱荣获2023年度“突破奖”
当地时间2022年9月22日，2023年度“突破奖”(the Breakthrough Prize)公布。四位量子信息领域先驱Charles H. Bennett、Gilles Brassard、David Deutsch、Peter Shor因为“量子信息领域的基础工作”获得“基础物理学突破奖”。
被誉为“科学奥斯卡”的突破奖，由俄罗斯著名投资人尤里·米尔纳于2012年与Facebook创始人马克·扎克伯格和谷歌创始人谢尔盖·布林等企业家共同创立，颁发给生命科学、基础物理和数学领域，每个奖项为300万美元。
在基础物理学领域，该奖项颁给了量子信息领域的四位先驱。
Charles H. Bennett和Gilles Brassard创立BB84协议，开创了量子密码技术。与合作者一起发现了量子隐形传态。
David Deutsch奠定了量子计算的基础。他定义了量子图灵机——通用量子计算机，证明它能够以任意精度模拟任何遵守量子力学定律的物理系统。他还设计了第一个超越最佳等效经典算法的量子算法。
Peter Shor发明了第一个实用量子算法，Shor算法能够快速找到大数的质因数，相比任何经典算法有指数级加速。他还设计了量子计算机的纠错技术。
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量子先驱的早期岁月
1968年，当时是哥伦比亚大学研究生的Stephen Wiesner开发了一种利用偏振光子编码信息的新方法。Wiesner提出，量子态固有的脆弱特性可以用来创造防伪量子货币。当时他写了一篇名为《共轭编码》的论文，但由于想法过于超前，以至于它被期刊一次又一次地拒绝。这也导致Wiesner退出学术界，移民以色列，成为一名建筑工人。
在Wiesner离开哥伦比亚大学之前，他将自己的一些想法传授给了另一位年轻的研究人员——Charles Bennett。Bennett回忆道：“我室友的一个男朋友是Wiesner，他开始告诉我他的‘量子货币’，我觉得这很有趣，但这不像是一个全新领域的开始。”
20世纪70年代末，Bennett遇到了Brassard，两人开始讨论Wiesner的量子货币，他们认为这可能需要一项不太可能完成的任务，即用镜子捕获光子来制作量子钞票。
Brassard解释了这个思考过程，“光子不应该停留——它们应该旅行。如果它们旅行，还有什么比通信更自然的呢？”Bennett和Brassard提出的协议被称为BB84，它开创了量子密码技术领域。后来，BB84在《科学美国人》中得到详细描述和推广，它允许双方在极度保密的情况下交换信息。如果第三方窥探，他们会留下不可磨灭的干涉证据——就像破坏量子蜡封一样。
当Bennett和Brassard开发量子密码时，另一个激进的想法开始浮现：量子计算。
1981年5月，在麻省理工学院恩迪科特大楼举行了一次著名会议。诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼提出，使用量子原理的计算机可以解决受经典物理定律约束的计算机无法解决的问题。虽然没有参加会议，但Deutsch听到这个想法就被吸引住了。“我逐渐越来越相信计算和物理之间的联系，”他说。
那年晚些时候，在与Bennett交谈时，Deutsch经历了一次重要的顿悟：当时流行的计算理论是基于艾萨克·牛顿的“经典”力学和阿尔伯特·爱因斯坦的相对论方法，而不是更深层的量子现实。“所以我想我应该重写计算理论，把它建立在量子理论的基础上，而不是经典理论，”Deutsch实事求是地说。“我不指望它能带来任何根本性的新东西。我只是期望它更加严谨。”然而，很快，他意识到他描述的是一种完全不同的计算机。即使它得到了相同的结果，它也是根据量子力学原理得出的。
Deutsch的新理论提供了量子力学和信息论之间的重要联系。“它(该理论)使我能够用我的计算机科学语言来理解量子力学，”加州大学伯克利分校的计算机科学家Umesh Vazirani解释说。后来，Deutsch与澳大利亚数学家Richard Josza一起提出了第一个比经典算法快得多的算法，尽管它没有做任何实际的事情——这是一次原理证明。
但是很快，更多有用的应用出现了。1991年，当时牛津大学的研究生Artur Ekert提出了一个新的量子密码协议E91。这项技术因其优雅和实用性以及在一家领先的物理杂志上发表的事实，吸引了许多物理学家的注意。“这是一个很好的想法。令人惊讶的是，Ekert没有入选今年基础物理突破奖的获奖者名单，”日内瓦大学的实验量子物理学家Nicolas Gisin说道。
两年后，Bennett、Brassard、Josza、计算机科学研究员Claude Crépeau以及物理学家Asher Peres和William Wootters提出了量子隐形传态，再次吸引物理学家的关注。这项新技术将使一方能够通过纠缠将信息(例如硬币翻转的结果)传递给另一方。纠缠是一种可以连接电子等物体的量子关联，而这种关联极大地扩展了现实世界量子通信的可能性。“这是最令人难以置信的想法，”中国科学技术大学的量子物理学家陆朝阳说，他曾参与在太空中实施这项技术。
像“革命”这样的词经常被用来描述科学进步，而科学进步通常是缓慢而渐进的。但是Peter Shor在1994年悄悄地开始了一项“革命性”研究。当他在美国电话电报公司贝尔实验室工作时，他吸收了Vazirani和Bennett的谈话。“我开始思考量子计算机能做些什么有用的事情，”他说。“我觉得希望渺茫。但这是一个非常有趣的领域。所以我开始研究它。我真的没有告诉任何人。”
受其他量子算法在周期性或重复任务方面取得的成功的启发，Shor开发了一种算法，可以以比任何经典算法快的指数速度将数字分解为质因数(例如，21 = 7 x 3)。其中的含义显而易见：质因数分解是现代加密的支柱。量子计算机终于有了真正改变游戏规则的实际应用。
Vazirani说，Shor算法“非常清楚地表明，你必须放下一切”来从事量子计算。
尽管Shor发现了一个强大的量子计算机用例，但他还没有解决如何建造一台量子计算机的更困难的问题——即使是在理论上。这种设备可以用来超越经典计算的脆弱量子态，也使它们极易出错。此外，经典计算机的纠错策略不能用于量子计算机。
但Shor没有被吓倒，1995年，在意大利都灵的一次量子计算会议上，他和其他研究人员打赌，量子计算机会比经典计算机先分解500位数字。这在其他人看来是无稽之谈，因为即使使用今天的经典超级计算机，分解500位数也可能需要数十亿年。没有人接受Shor的赌注，一些人给出了第三种选择：太阳会先燃尽。
两种类型的错误困扰着量子计算机：比特翻转和相位翻转。这些错误分别类似于将罗盘指针从北向南或从东向西翻转。不幸的是，纠错比特翻转错误会使相位翻转错误变得更糟，反之亦然。换句话说，更精确的方位北向会导致东向或西向的方位不太准确。但在1995年晚些时候，Shor发现了如何将比特校正和相位校正结合起来，这一系列的操作就像是在不改变已完成的一面的情况下解魔方。在量子计算机变得更强大之前，Shor算法仍然无效(该算法的最高因式分解数是21，因此经典因式分解目前仍处于领先地位)。但即使不实用，它仍然使量子计算成为可能。Brassard说：“这一切都变成了现实。”。
以上这些工作带来了量子力学和计算的新观点。
对Deutsch来说，它启发了一个更基本的“构造者”理论，他说，这是对“所有物理变换的集合”的描述。而其他人仍然不知道量子领域出现进一步深刻见解的可能性。“量子力学真的很奇怪，我不认为有任何简单的方法来理解它，”Shor说。当被问及他在量子计算方面的工作是让现实的本质更容易理解还是更难理解时，他顽皮地说，“这当然让它更加神秘。”
量子信息科学最初作为一种消遣或折衷的学术追求，现在已经远远超出了该领域先驱的许多最疯狂的想象。
Brassard说道：“我们从未想过它会变得实用。思考这些疯狂的想法真是太有趣了。在某种程度上，我们认为我们是认真的，但人们没有关注我们。这让人感到沮丧。现在它被认可到这样的程度是非常令人欣慰的。”
参考链接：
[1]https://breakthroughprize.org/News/73
[2]https://www.scientificamerican.com/article/quantum-physics-titans-win-breakthrough-prize/