2017年度狄拉克奖揭晓 三位量子信息学奠基者分享该奖项

翻译 张奕林

编辑 金庄维

日前，国际理论物理中心（ICTP）颁布了2017年度狄拉克奖。本年度的三位获奖者分别是美国 IBM T. J. Watson 研究中心的 Charles H. Bennett，英国牛津大学的 David Deutsch，以及美国麻省理工的 Peter W. Shor。三人因“将量子力学的基础概念应用于计算科学与通信科学的基本问题，结合量子力学、计算科学与信息科学从而缔造量子信息学领域”的先驱性工作而被授予这一奖项。

“ICTP 2017 年度狄拉克奖得主将他们在量子力学上的深厚学识应用于计算科学与通信科学，”ICTP 主任 Fernando Quevedo 说道，“更重要的是，此后量子信息学的发展全都是建立在他们所构建的学科基础之上的。”

时至今日，量子信息学已经成为一个广博的热点研究领域，在理论与实验两个方向上都有成果。与描述我们日常世界的经典力学不同，量子力学有着迥然相异的特性，正是这种显著的差异造就了量子信息学。传统信息科学的数据是以比特（bit）为计量单位的，每比特都有一个绝对数值：0或1。而量子信息学采用量子比特（qubit）为单位，其量子叠加态能同时包含0和1。两个或更多量子比特的叠加则会产生一种全新特性，称为纠缠（entanglement）。在纠缠态中量子比特的值会相互关联，与经典直觉完全不同。在探索如何开发量子比特的独特性质，将其用于数据处理和传输的研究领域，2017年度狄拉克奖的三位获奖者都做出了关键性贡献，从而开创了量子信息学这一新领域。

Charles Bennett 是量子信息学领域富有智慧的引领者。四十年前，他独自创立并仔细研究了现在被称为“可逆经典计算”的领域，证明了经典计算理论上可以零能耗的方式进行。在某种程度上，可逆经典计算正是量子计算的先驱，它涉及了可逆性与最小化杂散损耗的内容。Bennett 还与加拿大蒙特利尔大学的 Gilles Brassard 合作发明了量子密码学：两个远距离通信者能够安全地分享一个编码秘钥，由于对不相容可观测量的测量受到基本量子极限的约束，从而免于被第三方监听。此外，Bennett 与其合作者还引入了量子传输，使得纠缠与经典信号能被用于传输量子态。他与合作者证明，von Neumann 熵能够很好地用于度量纯态系统的纠缠，这是纠缠量化的早期结论，该领域的研究如今依然非常活跃。

David Deutsch 是量子计算的缔造者之一。他引入了量子图灵机、量子逻辑门、量子回路与量子计算网络模型等等概念，其中量子图灵机是一种可以在任意叠加态（即量子比特）上运行的计算模型。David Deutsch 证明了一台量子计算机上的所有可能操作都可以通过一种三量子比特逻辑门的序列组合来实现（之后，Bennett, Shor 与合作者证明了由单量子比特门和一种简单的经典可逆双比特门组成的序列就足够了）。通过自己的独立工作以及与英国剑桥大学的 Richard Jozsa 合作，Deutsch 设计出了第一种量子算法，即 Deutsch 和 Deutsch-Jozsa 算法。该算法阐释了对于解决特定问题，量子计算能够比任何已知的经典计算机算法都要快。

Peter Shor 极大地推动了量子计算领域的发展。他设计了大数因数分解以及离散对数计算的高效量子算法，这两种算法都可以用来破解经典编码方案。通过这些高效算法，Peter Shor 证明了在解决实用、复杂的计算问题时，量子计算机可以指数级的速度超越所有已知的经典计算机算法。他还引入了量子纠错码以及容错量子计算，这些都为处理干扰量子比特的杂散效应（噪声）提供了方案。如果没有稳健的量子纠错机制，大规模的量子计算就会被量子态对噪声的高度敏感性而破坏。因此，量子纠错理论如今已是量子信息学界一个发展程度很高的分支，曾经艰难的大规模量子计算机发展之路如今也渐渐打开了。

国际理论物理中心 ICTP 狄拉克奖设立于1985年，目的是为了纪念20世纪伟大的物理学家，ICTP 的忠实伙伴，保罗·狄拉克（P.A.M. Dirac）。该奖项于每年8月8日（狄拉克的生日）颁发给对理论物理学做出卓越贡献的科学家。