彼得·秀尔：初次接触量子理论而不感到震惊的人，肯定没有理解它

“我在新泽西住过，贝果同样好吃

秘诀和水无关，和空气也扯不上关系

揉面、发酵、水煮、烘烤，每一步都用心

若有人跟你说，

‘按个按钮，科学搞定’

你千万要当心！”

上面这首打假纽约“秘制”贝果的诗歌，来自物理学家彼得·秀尔的教师主页。这里有他的发表、译著和长长一串诗歌，其中大部分为他本人写作，大多围绕量子物理，展开科学沉思。还有一部分，是著名诗人波德莱尔、海涅的译作。

▲秀尔的教师主页（来源：MIT官网）

秀尔是一位量子计算领域的先驱科学家。他证明了量子计算机在某些问题上能够展现出经典计算机难以企及的效率，并揭示了量子信息也可以像经典信息一样进行纠错和保护。

他提出的秀尔算法是量子计算史上的里程碑。这一算法表明，量子计算机能够高效分解大整数，这类任务对经典计算机而言可能极其耗时。这一开创性发现不仅拓展了人类对计算能力的认识，也为量子计算改变未来密码学和信息技术的可能性打开了大门。

▲彼得·秀尔近照（来源：MIT）

2023年秀尔获得MIT教职Killian终身成就奖，表彰词评价他“做出了奠定量子计算基础、并将永远影响这一领域发展的开创性贡献。”

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“这就像一场传话游戏”

▲秀尔在MIT发布Killian奖获奖演讲（来源：MIT）

秀尔于 1985 年从麻省理工学院获得博士学位，随后在加州伯克利市的数学科学研究所完成博士后工作。之后他在美国电话电报公司贝尔实验室（AT&T Bell Labs）工作过数年时间，正是在此期间，秀尔提出了震惊世人的“秀尔算法”。

1994年，在贝尔实验室的内部研讨会上，秀尔提出了一项论证，展示了量子系统如何能够比经典计算机更快地解决特定问题。离散对数问题就是其中之一。经典计算机虽然能够求解这类问题，但面对足够大的数字，计算过程可能耗时极长。正因为求解困难，离散对数问题被用于构建一些密码系统的安全性。

▲1992年的贝尔实验室，它是 20 世纪最具传奇色彩和影响力的工业研究机构之一，被誉为“创新摇篮”和“诺贝尔奖工厂”。（来源：AT&T Bell Labs官网）

秀尔的研究成果首次表明，量子计算机能够解决一个真实且具有实用价值的问题。他的演讲在 研讨会现场上引起强烈反响，消息迅速传播开来。

有趣的是，在他发表演讲后，世界各地的物理学家纷纷认为秀尔已经解决了一个与离散对数问题相关、却更为棘手的问题：质因数分解。

质因数分解，就是把一个大整数分解成质数的乘积。它是许多经典公钥密码系统安全性的数学基础。对于足够大的整数，经典计算机虽然原则上能够完成分解，但通常需要耗费极长的时间。

“这就像一场传话游戏，”秀尔后来回忆道，“谣言四处传播，说我已经找到了质因数分解的算法。”

而事实上，正是在不远的将来，那场演讲之后的四天，秀尔确实做到了这一点。通过调整最初提出的问题，秀尔恰好找到了一个量子解决方案用于质因数分解。这就是后来著名的秀尔算法，证明量子计算机可以高效进行大数质因数分解。量子计算因而有了开展非常具有实践性且可能具有颠覆性的应用的可能性。他的工作同时激起了量子计算、信息科学和密码学等多个新研究领域的发展。

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“我的量子计算不会破坏互联网”

在秀尔成功推导出了同名的质因数分解算法后，还有部分科学家持怀疑态度。因为他们认为实用的量子计算机有一丝噪声就会立刻崩溃，导致因式分解计算中出现连锁错误。

秀尔同样担心，于是，他尝试寻找一种在不扰乱计算量子比特状态的情况下纠正量子系统错误的方法。秀尔找到了一种方法，将量子比特连接起来，并将一个逻辑量子比特的信息编码进九个高度纠缠的物理量子比特中。通过这种方式，逻辑量子比特中的任何误差都可以在物理量子比特内被测量和修正，而无需测量实际计算中涉及的量子比特。

秀尔提出的量子纠错码是第一个明确展示如何纠正任意单量子比特错误的量子纠错码，这项工作回应了当时“量子纠错不可能”的论断，为容错量子计算奠定了理论基础。

2013年，New Scientist 对秀尔做了一次专访，在那次专访中，记者问道：“互联网安全依赖于我们的计算机无法破解其密码系统。但你设计的量子算法有潜力做到这一点。为什么要创造它？”

秀尔说，他并不担心这个算法的影响，“发现了别人不知道的东西，我感觉非常好。如果不是我做的，迟早会有人做的。”

秀尔算法随着量子计算研究不断发展，人们也越来越关注它可能对现代密码学带来的挑战。秀尔算法表明，未来足够强大的量子计算机有望破解经典公钥密码系统的安全基础。为了应对这一潜在威胁，科学家们正在发展后量子密码学，开发能够抵御量子计算攻击的密码算法，为量子计算时代的信息安全做好准备。

▲合肥国家实验室/中国科学技术大学潘建伟及其同事在可扩展量子网络研究方面取得重大突破。在国际上首次构建出可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能。

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“我们可能永远造不出量子计算机，

但如果有人有好主意......”

秀尔积极关注着量子计算机的研究进展，2020年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队成功构建出76个光子的量子计算原型机“九章”。“九章”处理高斯玻色取样的速度比当时世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌2019年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

▲“九章”量子计算原型机（来源：中国科学技术大学）

为了向潘建伟团队表示祝贺，秀尔专门写了一首诗，12月19日发布在他的推特账号上。

▲秀尔推特相关截图（来源：中国日报双语新闻）

“Is it not blasphemous of us to hope

That all of Nature, in her boundless scope,

Can be reduced to voltage on a chip?

If God's great handiwork does not have more computing power

Than do our jury-rigged contraptions, how are

We to believe that it could be His finest workmanship?”

大自然无边无垠，

若一块小小芯片就能将万物归结，

这会不会是一种亵渎？

若上帝的鬼斧神工，算力竟不敌我们质朴的装置，

我们是否该相信，这是最精妙的杰作？

在获得MIT Killian奖的演讲结束后，秀尔曾回答过听众的几个问题，其中一个问题便是我们何时能看到一台真正实用的量子计算机？秀尔表示：“这得花上整整数年时间。我们或许永远都无法制造出量子计算机……但倘若有人能提出一个绝佳的构想，或许我们有望在 10 年后看到它的问世。”

2022年秋，彼得·秀尔（Peter Shor）在麻省理工教授Quantum Computation（量子计算）课程，在学期的第一节课上，他首先向学生们提出这样的观点：初次接触量子理论而不感到震惊的人，肯定没有理解它。

在秀尔眼中，量子力学无疑是一个很怪异的理论，而这十分怪异的样子，正是自然运作的模式。当人类对量子的开发更近一步，秀尔在见证它强大计算能力的同时，似乎也在期待它帮助人类进一步揭开大自然的鬼斧神工。