Stephen_Wiesner

開啟量子加密的人

開啟量子加密的人

開啟量子加密的人

長久以來,偽鈔的問題一直無法解決,發行銀行只能藉由精細的雕工、特殊的紙張、墨水,或是加上雷射標籤等技術上的門檻,來防範歹徒製造偽鈔。然而這些設防畢竟都在鈔票上,理論上歹徒還是可以做出就連銀行都難辨真假的偽鈔。
那麼,是否有可能做出絕對無法被仿冒的貨幣?這篇所要介紹的史蒂芬·威斯納 (Stephen Wiesner) 便想出了這麼一個方法,而這個方法後來便成為量子加密,乃至量子資訊科學的濫觴。

求學過程

威斯納出生於 1942 年 8 月 30 日,父親是電機博士,參與過雷達研發、曼哈頓計畫,以及登月計畫,後來到麻省理工學院任教,從工學院院長一路當上校長。耳濡目染之下,威斯納自小就對量子力學、資訊理論與電子通訊充滿興趣,常從父親的書架上取閱這方面的書籍。

1960 年,威斯納進入加州理工學院,大一物理的實驗課中,和他一組的同學正是克勞澤 (John Clauser,1972 年首度以實驗證明貝爾不等式不成立,而於今年獲得諾貝爾物理獎,關於他的介紹可參見這篇文章)。他們對物理都充滿熱枕,常互相討論,兩人很快成為好朋友,還一起合資買了台二手車。然而威斯納卻在兩年後因課業死當遭到退學,在東岸工作的父親乾脆安排他就近來位於美國麻州的布蘭戴斯大學 (Brandeis University) 就讀。

威斯納和化學系的查理.班奈特 (Charles Bennett) 成為室友。他們兩人原是同年紀,但由於威斯納是重讀大學,所以與當時大三的班奈特差了兩屆,但這無礙於兩人成為惺惺相惜的好朋友。這份友誼在日後也促成班奈特接手威斯納的研究,實現絕對安全無虞的量子通訊。

1964 年,貝爾 (John S. Bell) 以訪問學者的身分來到的布蘭戴斯大學,埋首於貝爾不等式的論文。當時班奈特即將畢業,威斯納仍是大三,這三位將成為量子物理的關鍵人物,竟同時待在這所當時還稱不上名校的校園裡,真是美麗的巧合。

威斯納於 1966 年畢業後,到哥倫比亞大學讀研究所。兩年後他寫了一篇題為〈共軛編碼〉(Conjugate Coding) 的論文,提出如何利用光子的偏振,打造絕對無法仿冒的「量子貨幣」(quantum money),從此打開了量子資訊科學的大門。

當光子遇到偏振片

光子也是一種電磁波,波的振動方向就相當於光的偏振方向,從垂直上下振動、橫向左右振動,到斜向各種角度的振動都有可能。各種偏振方向的光都可以穿過一般透明玻璃,但若是偏振片(可想成多了一層柵欄),能否通過就要視光的偏振與偏振片的夾角而定。兩者方向完全一致時,當然百分之百可以通過,但若互相垂直就會被擋下無法通過。而當夾角在這之間,通過的機率取決於夾角大小,45 度時剛好 50 %,越接近 90 度則通過的機率越小。

光子還有個奇特的性質,一旦光子通過偏振片,它的偏振方向就變成與偏振片一樣。例如原本 45 度角偏振的光子如果能通過水平偏振片,偏振方向就從 45 度角變成是水平的。這是因為光的偏振方向可以視為上下振動與左右振動兩種可能性的疊加,當光子遇到水平偏振片的那一瞬間剛好是左右振動,才會通過。

就像具有偏振效果的太陽眼鏡會濾掉不同偏振方向的光,剩下一半通過的光變成都與太陽眼鏡的偏振方向一樣,此時放上第二個太陽眼鏡,若與原來的偏振方向垂直,光就都無法通過,變成漆黑一片。

右圖放上第二片偏振垂直的太陽眼鏡後,光就無法通過,變成漆黑一片。

量子貨幣

威斯納設想的量子貨幣除了和一般紙鈔一樣印有鈔票編號,還會嵌入 20 顆光子。這些光子只有四種偏振方向,分別是垂直 ↕、水平 ⟷、右上 ⤢ 與左上 ⤡,等於有 4 的 20 次方種組合,可以和鈔票編號對應。


現在如果有歹徒想要偽造量子貨幣,除了複製鈔票編號,也得複製 20 顆光子才行。由於肉眼看不出光的偏振方向,他必須透過偏振片檢查才能知道,問題是,無論選哪一種偏振片,都無法確認原來的偏振方向是什麼。假定他隨意選了水平偏振片,結果可以看見光子,只能確定不是 ↕,卻無法知道原來是 ⟷、⤢ 或是 ⤡。同樣地,如果看不見,也只能確定不是 ⟷,其它 ↕、⤢ 或 ⤡ 都有可能。而且歹徒若想再用另一種偏振片做第二次篩檢也無濟於事,因為光子的偏振可能已經被改變了。

歹徒既然不可能窺見光子原來的偏振方向,也就無法偽造量子貨幣了。等等,萬一歹徒乾脆不管偏振的正確性,照樣偽造呢?那麼銀行又如何判斷手上的量子貨幣是真是假?

這很簡單,因為銀行可以從鈔票編號得知所有 20 個光子的偏振方向,所以知道哪個光子該用什麼偏振片來檢查,例如 ⟷ 的光子就用水平偏振片。當然歹徒有可能剛好也用了 ⟷ 的光子,或者他用 ⤢、⤡ 的光子也有一半機會通過,但是 20 個光子都完全矇對的機率實在微乎其微,銀行一定會發現其中有誤。

威斯納興沖沖地將論文寄到 IEEE 的期刊,卻遭到退稿。事實上,就連他的指導教授也不支持,認為這不是「正經的科學」,他只好將這篇論文收入抽屜,後來以弱交互作用方面的論文,於 1972 年取得博士學位。

移居以色列

離開校園後,威斯納待過矽谷一些新創公司,閒暇之餘仍繼續研究量子的應用,包括量子多工 (quantum multiplexing)、超密集編碼 (Superdense coding) 等,但都未公開發表,只將這些手稿的複印本給幾個志同道合的朋友。班奈特就是拿到〈共軛編碼〉這篇論文,經過多年思索後,才從量子貨幣的概念發想出產生量子密鑰並安全傳遞的方法,開創了量子通訊。

〈共軛編碼〉這篇論文也終於在 1983 年刊載於美國計算機學會的刊物上,但威斯納已不在乎了。身為猶太人的他信奉正統猶太教後,興趣轉往乾淨能源、太空移民等關乎人類永續生存的研究,週末還到蔬果合作社擔任志工。1993 年,他移民到以色列,更是過著極為簡樸的生活;由於相信勞動有益於靈魂,他除了研讀經文,還做起建築工人與土地測量員。

但在量子資訊科學領域的專家學者並未忘記這位時代先驅,除了頒給威斯納許多獎項,特拉維夫大學物理系不時會邀他參與學術討論,他的洞見的確提供不小助益,有幾篇量子資訊的論文還因此而生。除此之外。他仍繼續大談乾淨能源、星際旅行的構想,但逐漸老邁的他已無法將這些構想寫成論文,甚至有次在演講中途竟說起希伯來語,當他回過神來改說英語,卻也不知所云,令滿堂聽眾面面相覷。

2021 年 8 月 12 日,將滿 79 歲之前,威斯納在耶路撒冷過世。未來人們享受量子資訊科學帶來的成果時,應會有更多人想起是這位隱士在半世紀前埋下量子貨幣這顆種子……。

參考資料:

  1. Stephen Wiesner – Wikipedia
  2. How the Hippies Saved Physics: Science, Counterculture, and the Quantum Rev… – Google Books
  3. Obituary in memory of Stephen Wiesner associated scientist of Tel Aviv Quantum Group | Tel Aviv University Quantum | Tel Aviv University (tau.ac.il)
  4. Shtetl-Optimized » Blog Archive » Stephen Wiesner (1942-2021) (scottaaronson.blog)
  5. 《碼書》,Simon Singh 著,劉燕芬 譯,台灣商務印書館出版
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