随着数十亿美元涌入量子计算，各国竞相构建由量子加密技术保护的通信网络，量子信息科学的重要性日益凸显，不容忽视。
今年的基础物理学突破奖旨在表彰四位先驱，他们将数学、计算机科学和物理学相结合，在“量子信息领域做出了奠基性工作”。该奖项由IBM的查尔斯·贝内特、蒙特利尔大学的吉尔斯·布拉萨德、牛津大学的大卫·德意志和麻省理工学院的彼得·肖尔分享。
日内瓦大学的实验量子物理学家尼古拉斯·吉辛说：“这四个人确实为量子信息理论的兴起做出了巨大贡献。很高兴看到这些奖项更贴近我心。”
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突破奖由以色列裔俄罗斯亿万富翁兼物理学家尤里·米尔纳于2012年共同创立，并得到了包括联合创始人马克·扎克伯格和谢尔盖·布林在内的其他大亨的慷慨资助。与阿尔弗雷德·诺贝尔类似，他的诺贝尔奖基金财富来自他发明的炸药，米尔纳过去与克里姆林宫的财务联系受到了密切关注，尤其是在俄罗斯持续入侵乌克兰的情况下。在之前的采访中，米尔纳强调了他的独立性以及对乌克兰难民的捐款。一位发言人向大众科学指出，米尔纳于2014年迁居美国，此后从未返回俄罗斯。
但量子信息科学的认可并非总是轻易到来，也并非总能获得如此丰厚的资金支持。广义而言，该领域是两种理论的结合：量子力学，它描述了原子和亚原子世界违反直觉的行为；信息论，它详细描述了计算和通信的数学和物理极限。它的历史是一个更加混乱的故事，零星的进展常常被传统的科学期刊所忽视。
1968年，当时的哥伦比亚大学研究生斯蒂芬·威斯纳开发了一种用偏振光子编码信息的新方法。威斯纳还提出，量子态固有的脆弱性可以用来制造防伪量子货币。由于无法发表他的许多令人兴奋的理论思想，并且被宗教所吸引，去年去世的威斯纳基本上退出了学术界，成为以色列的一名建筑工人。
在威斯纳离开哥伦比亚大学之前，他将自己的一些想法传递给了另一位年轻的研究人员。“我的一个室友的男朋友是斯蒂芬·威斯纳，他开始向我讲述他的‘量子货币’，”贝内特回忆道。“[这]让我觉得很有趣，但它似乎不是一个全新领域的开始。” 20世纪70年代末，贝内特遇到了布拉萨德，两人开始讨论威斯纳的货币，他们认为这可能需要用镜子捕获光子以制造量子钞票这种不大可能完成的任务。
布拉萨德解释思考过程时说：“光子注定不会停留，它们注定要传播。如果它们传播，还有什么比通信更自然的呢？” 贝内特和布拉萨德提出的协议，称为BB84，将开启量子密码学领域。BB84后来在大众科学上进行了详细介绍和普及，它允许双方进行极其保密的信息交换。如果第三方进行窥探，他们会留下他们干预的不可磨灭的证据——就像损坏量子蜡封一样。
在贝内特和布拉萨德开发量子密码学的同时，另一个激进的想法开始出现：量子计算。在1981年5月于马萨诸塞州 Dedham 的 M.I.T. Endicott House 举行的现已著名的会议上，物理学家理查德·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。尽管德意志没有参加会议，但他听说了这个想法并被深深吸引。“我逐渐越来越相信计算和物理学之间的联系，”他说。
在那年晚些时候与贝内特聊天时，德意志经历了一次关键的顿悟：当时流行的计算理论是基于错误的物理学——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，而不是更深层次的量子现实。“所以我认为我应该重写计算理论，将其建立在量子理论而不是经典理论的基础上，”德意志平淡地说。“我并不期望从中产生任何根本性的新事物。我只是期望它会更严谨。” 然而，很快，他意识到他描述的是一种截然不同的计算机。即使它实现了相同的结果，它也是通过量子力学原理实现的。
德意志的新理论提供了量子力学和信息论之间的关键联系。“它使量子力学能够以我的计算机科学语言为我所理解，”加州大学伯克利分校的计算机科学家乌梅什·瓦齐拉尼说。后来，德意志与澳大利亚数学家理查德·乔萨作为原理证明提出了第一个算法，该算法比经典算法快指数倍——尽管它没有任何实际用途。
但很快就出现了更有用的应用。1991年，当时在牛津大学读研究生的阿图尔·埃克特提出了一种新的量子密码学协议 E91。这项技术因其优雅性和实用性以及发表在一流物理学期刊上的事实而引起了许多物理学家的关注。“这是一个很棒的想法。令人有点惊讶的是，埃克特没有出现在今年基础物理学突破奖的获奖者名单中，”吉辛说。
两年后，当贝内特、布拉萨德、乔萨、计算机科学研究员克劳德·克雷波以及物理学家阿舍尔·佩雷斯和威廉·伍特斯提出量子隐形传态时，物理学家们开始关注了。这项新技术将使一方能够通过量子纠缠将信息（例如掷硬币的结果）传输给另一方，量子纠缠是一种可以连接电子等物体的量子关联。尽管流行的科幻小说断言，但这项技术不允许超光速消息传递——但它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，他帮助从太空实施了这项技术。
诸如“革命”之类的词语被过度用于描述科学进步，科学进步通常是缓慢而渐进的。但1994年，肖尔悄然开始了一场革命。在 AT&T 贝尔实验室工作期间，他听取了瓦齐拉尼和贝内特的演讲。“我开始思考量子计算机可以做哪些有用的事情，”他说。“我认为这不太可能。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。”
受到其他量子算法在周期性或重复性任务中取得成功的启发，肖尔开发了一种算法，该算法可以比任何经典算法快指数倍地将数字分解为质因数（例如，21 = 7 x 3）。其影响立即显而易见：质因数分解是现代加密技术的支柱。最终，量子计算机有了一个真正具有颠覆性意义的实际应用。肖尔算法“清楚地表明，你必须放下一切”来研究量子计算，瓦齐拉尼说。
尽管肖尔找到了量子计算机的强大用例，但他并没有解决如何构建量子计算机这个更困难的问题——即使在理论上也是如此。这些设备可以利用脆弱的量子态来超越经典计算，但也使其极易出错。此外，经典计算机的纠错策略不能用于量子计算机。尽管如此，在1995年于意大利都灵举行的量子计算会议上，肖尔与其他研究人员打赌，量子计算机将比经典计算机更快地分解一个 500 位数字。（即使使用当今的经典超级计算机，分解 500 位数字也可能需要数十亿年。）没有人接受肖尔的赌注，有些人要求增加第三种选择：太阳会先燃尽。
量子计算机受到两种类型的错误的困扰：位错误和相位错误。这些错误类似于将指南针指针从北向南或从东向西翻转。不幸的是，纠正位错误会使相位错误更糟，反之亦然。换句话说，更精确的北方方位会导致不太精确的东方或西方方位。但在1995年晚些时候，肖尔弄清楚了如何将位纠正和相位纠正结合起来——一系列操作类似于解魔方，但不会改变已完成的一面。在量子计算机变得更强大之前，肖尔算法仍然无效（用该算法分解的最高数字是 21，因此经典分解仍然领先——目前如此）。但它仍然使量子计算成为可能，即使不是实际可行。“那时整个事情才变得真实，”布拉萨德说。
所有这些工作都导致了对量子力学和计算的新看法。对于德意志来说，这启发了更基本的“构造器”理论——他说，该理论描述了“所有物理变换的集合”。其他人则对量子领域是否会涌现出更深刻的见解持怀疑态度。“量子力学真的很奇怪，我认为永远不会有任何简单的方法来理解它，”肖尔说。当被问及他对量子计算的研究是否使现实的本质更容易或更难理解时，他顽皮地说，“它肯定让它更加神秘。”
最初只是一种消遣或折衷的智力追求，现在已经远远超出了该领域先驱们最疯狂的想象。“我们从没想过它会变得实用。思考这些疯狂的想法只是很有趣，”布拉萨德说。“在某个时候，我们决定我们是认真的，但人们并没有追随我们。这令人沮丧。现在它得到了如此程度的认可，真是令人欣慰。”