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3月9日，Peter Shor 獲得麻省理工學(xué)院最高榮譽James R. Killian, Jr. 教職成就獎。
Shor是麻省理工學(xué)院Morss應(yīng)用數(shù)學(xué)教授，他作為今年 James R. Killian, Jr. 教職成就獎的獲得者發(fā)言，這是學(xué)院教師每學(xué)年授予其成員的最高榮譽。
被大家所熟知的是，Peter Shor 作為量子計算領(lǐng)域的奠基人之一，其提出的Shor算法，首次證明了量子計算機可以解決一個真正的、實際的問題，打破了傳統(tǒng)的經(jīng)典計算范式，開辟了人類思想和努力的新途徑。
然而，正是有了先賢們的孜孜不倦，才有如今量子計算的如火如荼。
在頒獎典禮上，Peter Shor從個人角度分享了量子計算簡史，并講述了自己在量子計算領(lǐng)域的一些事跡，一些小故事。
此處簡要整理了部分典禮內(nèi)容供參閱：
時間來到1994年，貝爾實驗室的內(nèi)部研討會很是熱鬧。
物理學(xué)家的聽眾都是一群活躍而好奇的人，經(jīng)常在演講者的整個演講過程中向他們提問。
Shor回憶稱，當(dāng)時Shor仍在貝爾實驗室工作，有幾次，演講者甚至無法講完他們的第三張幻燈片就開始回答問題，因為演講者試圖在有限的時間里解決一系列快速提問，提問就占用了大量的時間。
同年，當(dāng)輪到 Shor 展示他的新算法時，物理學(xué)家們非常關(guān)注 Shor 的整個演講。以至于Shor在最新的演講里幽默的表示："當(dāng)時，我的演講很順利”。（意味著相較于其他的演講者，Shor的演講很少有人提問）
在1994年的研討會上，Shor提出了一個新的證明，表明量子系統(tǒng)能夠比經(jīng)典計算機更快地解決一個特定的問題。
這個問題被稱為離散對數(shù)問題，眾所周知，用經(jīng)典的方法是無法解決的。因此，離散對數(shù)在當(dāng)時被用作少數(shù)安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
Shor的工作首次表明，量子計算機可以解決一個真正的、實際的問題。
他的講話引起了研討會的轟動，消息傳播開后，一切就變了天。
在他首次演講的四天后，全國各地的物理學(xué)家都認(rèn)為 Shor 已經(jīng)解決了一個相關(guān)但更棘手的問題：質(zhì)因數(shù)分解——找到一個非常大的數(shù)的兩個質(zhì)因數(shù)的挑戰(zhàn)。
盡管一些安全系統(tǒng)采用離散對數(shù)，但當(dāng)今的大多數(shù)加密方案都是基于質(zhì)因數(shù)分解和無法破解的假設(shè)。
Shor 表示：“這就像孩子們的'電話’游戲，謠言四起，在講座之后的四天里，傳言說我已經(jīng)完全弄清了因式分解。”
回到原始問題，Shor碰巧找到了一個質(zhì)因數(shù)分解的量子解決方案。他的解決方案，正是今天大名鼎鼎的 "Shor算法"，該算法顯示了量子計算機可以在有效的時間里分解非常大的數(shù)字。
曾經(jīng)被認(rèn)為是思想實驗的量子計算機，在Shor的算法提出后，突然就有了一個非常真實的、潛在的顛覆性應(yīng)用的指導(dǎo)方向。
他的工作同時點燃了量子計算、信息科學(xué)和密碼學(xué)的多個新的研究方向。
// 量子簡史 （A quantum history）
薛定諤的貓，量子力學(xué)的奇異屬性
Shor 帶領(lǐng)聽眾了解了量子計算的簡史，并在演講中加入了他對自己角色的個人回憶。他說，這個故事始于 1930 年代量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)——物質(zhì)在最小亞原子尺度上的物理行為以及隨之而來的問題：為什么量子如此奇怪？
物理學(xué)家們努力研究對物理世界的新描述，它與幾個世紀(jì)以來人們所理解的 "經(jīng)典 "牛頓力學(xué)是如此不同。
Shor說，物理學(xué)家埃爾溫-薛定諤（Erwin Schr?dinger）試圖用他現(xiàn)在著名的關(guān)于盒子里的貓的思想實驗來 "說明"這個新理論的荒謬性（參閱：薛定諤的貓）。
這個實驗對疊加（Superposition）的概念提出了挑戰(zhàn)，疊加是量子力學(xué)的一個關(guān)鍵屬性，它預(yù)示著像原子這樣的量子比特應(yīng)該同時擁有一個以上的狀態(tài)。
更詭異的是對糾纏態(tài)的預(yù)測，它表明兩個原子可以密不可分地聯(lián)系在一起。任何對其中一個的改變都會影響到另一個，不管它們之間的距離有多遠(yuǎn)。
不可克隆原理，量子狀態(tài)無法復(fù)制
Shor說："在Wiesner之前，沒有人考慮使用這種奇怪的方式來存儲信息。
Wiesner，即Stephen Wiesner，他在 1960 年代后期還是哥倫比亞大學(xué)的一名研究生，后來因制定量子信息論的一些基本原理而受到贊譽。
Wiesner的主要貢獻是一篇最初被拒絕的論文。他提出了一種創(chuàng)造“量子貨幣”或防偽貨幣的方法，方法是利用一種量子狀態(tài)無法完美復(fù)制的奇怪特性——這一預(yù)測被稱為“不可克隆”原理。
據(jù)Shor回憶，Wiesner 在打字機上寫下了他的想法，將其發(fā)送給同行考慮，但遭到了果斷的拒絕。
直到另一位物理學(xué)家Charles Bennett發(fā)現(xiàn)了這篇論文，“將其從抽屜中取出，并發(fā)表了”，這才鞏固了Wiesner在量子計算歷史上的地位。
Bennett 更進一步，意識到量子貨幣的基本思想可以應(yīng)用于開發(fā)量子密鑰分發(fā)（QKD）方案，其中一條信息的安全性，例如在各方之間傳遞的私鑰，是由另一個奇怪的量子屬性保護的。
量子離散對數(shù)算法，證明量子計算機速度超越經(jīng)典
Bennett在1984年與Gilles Brassard一起提出了這個想法。BB84協(xié)議應(yīng)運而生，這是第一個完全依靠量子物理學(xué)的怪異現(xiàn)象的密碼系統(tǒng)協(xié)議。
回到20世紀(jì)80年代，有一天，Bennett 來到貝爾實驗室展示 BB84。這是 Shor 第一次聽說量子計算，他瞬間被迷住了。
Shor 最初試圖找出 Bennett 向聽眾提出的問題的答案：如何從數(shù)學(xué)上證明協(xié)議確實是安全的？然而，這個問題太棘手了，Shor 放棄了這個問題，但依然在繼續(xù)探索該主題。
他隨同事們在不斷發(fā)展的量子信息科學(xué)領(lǐng)域持續(xù)努力，最終落在物理學(xué)家丹尼爾-西蒙（Daniel Simon）的一篇論文上，他提出了一些真正奇怪的東西：一個量子計算系統(tǒng)可以比經(jīng)典計算機以指數(shù)級的速度解決一個特定問題。
Simon提出的問題本身是一個深奧的問題，他的論文和Wiesner的論文一樣，最初被拒絕。
但是Shor從它的結(jié)構(gòu)中看到了一些東西。
具體來說，這個問題與離散對數(shù)和因式分解等這些更具體的問題有關(guān)。他從Simon的出發(fā)點開始出發(fā)，研究量子系統(tǒng)是否能比經(jīng)典系統(tǒng)更快地解決離散對數(shù)問題。
他的第一次嘗試打了個平局，量子算法解決問題的速度與其經(jīng)典算法一樣，但有跡象表明它可以做得更好。
Shor 回憶道："嘗試還是有希望的?！?/span>
當(dāng)他真的解決了這個問題時，他在1994年貝爾實驗室的研討會上提出了他的量子離散對數(shù)算法。在他演講后的四天里，他還設(shè)法設(shè)計出質(zhì)因數(shù)分解算法。
首個量子糾錯碼，證明量子計算機可容錯
反應(yīng)熱烈但也充滿懷疑，因為物理學(xué)家認(rèn)為實用的量子計算機會在最輕微的噪音下立即崩潰，從而導(dǎo)致其計算中出現(xiàn)一連串錯誤。
"我擔(dān)心這個問題，"Shor說。
于是，他再次投入工作，尋找一種在不擾亂計算量子比特狀態(tài)的情況下糾正量子系統(tǒng)錯誤的方法。他通過串聯(lián)找到了答案，串聯(lián)泛指一系列相互關(guān)聯(lián)的事件。
在他的案例中，Shor 找到了一種連接量子比特的方法，并將一個邏輯量子比特（計算量子比特）的信息存儲在九個高度糾纏的物理量子比特中。
通過這種方式，邏輯量子比特中的任何錯誤都可以在物理量子比特中被測量和修復(fù)，而不必測量（并因此破壞）參與實際計算的量子比特。
Shor 的新算法是第一個證明量子計算機可以容錯的量子糾錯碼，因此這是一個非?，F(xiàn)實的可能性。
Shor在結(jié)束發(fā)言時說："量子力學(xué)的世界不是你的直覺世界，但量子力學(xué)是世界真實的樣子。"
// 量子的未來（Quantum’s future）
演講結(jié)束后，Shor 回答了聽眾提出的一些問題，其中一個問題：我們什么時候才能看到真正實用的量子計算機？
“這可能需要很多年的時間”，Shor 說。
“我們可能永遠(yuǎn)都制造不出一臺量子計算機，但如果有人有一個好主意，也許我們可以在 10 年后看到它?！?/span>
事實上，為了分解一個大的數(shù)，Shor估計，這樣的量子系統(tǒng)至少需要1000個量子比特。如果是需要計算支撐今天的互聯(lián)網(wǎng)和安全系統(tǒng)的非常大的數(shù)字，則需要數(shù)百萬個量子比特。
與此同時，他指出，隨著近年來量子計算領(lǐng)域的工作激增，后量子密碼學(xué)的工作也隨之激增，以至于很多參與者努力開發(fā)可抵御基于量子的代碼破解的替代密碼系統(tǒng)。
Shor將這些努力比作導(dǎo)致“千年蟲”的爭奪，以及上世紀(jì)初數(shù)字災(zāi)難的前景。
"你可能幾年前就應(yīng)該開始了，"Shor說。"如果你等到最后一刻，當(dāng)清楚量子計算機將被建造出來時，你可能就來不及了。"
//關(guān)于Peter Shor
Shor于1985年在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，隨后在加州伯克利的數(shù)學(xué)科學(xué)研究所完成了博士后。之后他在AT&T貝爾實驗室工作了幾年，然后在AT&T香農(nóng)實驗室工作，然后于 2003 年作為終身教員返回麻省理工學(xué)院。
Shor 的貢獻獲得了無數(shù)獎項的認(rèn)可，最近一次獲得了 2023 年基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎，他與 Bennett、Brassard 和物理學(xué)家 David Deutsch 分享了這一獎項。他的其他榮譽包括麥克阿瑟獎學(xué)金、Nevanlinna 獎（現(xiàn)為 IMU 珠算獎?wù)拢?、狄拉克獎?wù)隆①M薩爾國王國際科學(xué)獎和 BBVA 基金會前沿知識獎。Shor 是美國國家科學(xué)院和美國藝術(shù)與科學(xué)院的成員，同時，他還是美國數(shù)學(xué)學(xué)會和計算機協(xié)會的會員。
-End-
引用：
[1]https://news.mit.edu/2023/weird-weird-quantum-world-peter-shor-killian-lecture-0310
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