隨著數十億美元湧入量子計算，各國競相構建由量子加密技術保護的通訊網路，量子資訊科學的重要性日益凸顯，不容忽視。
今年的基礎物理學突破獎旨在表彰四位先驅，他們將數學、計算機科學和物理學相結合，在“量子資訊領域做出了奠基性工作”。該獎項由IBM的查爾斯·貝內特、蒙特利爾大學的吉爾斯·布拉薩德、牛津大學的大衛·德意志和麻省理工學院的彼得·肖爾分享。
日內瓦大學的實驗量子物理學家尼古拉斯·吉辛說：“這四個人確實為量子資訊理論的興起做出了巨大貢獻。很高興看到這些獎項更貼近我心。”
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突破獎由以色列裔俄羅斯億萬富翁兼物理學家尤里·米爾納於2012年共同創立，並得到了包括聯合創始人馬克·扎克伯格和謝爾蓋·布林在內的其他大亨的慷慨資助。與阿爾弗雷德·諾貝爾類似，他的諾貝爾獎基金財富來自他發明的炸藥，米爾納過去與克里姆林宮的財務聯絡受到了密切關注，尤其是在俄羅斯持續入侵烏克蘭的情況下。在之前的採訪中，米爾納強調了他的獨立性以及對烏克蘭難民的捐款。一位發言人向大眾科學指出，米爾納於2014年遷居美國，此後從未返回俄羅斯。
但量子資訊科學的認可並非總是輕易到來，也並非總能獲得如此豐厚的資金支援。廣義而言，該領域是兩種理論的結合：量子力學，它描述了原子和亞原子世界違反直覺的行為；資訊理論，它詳細描述了計算和通訊的數學和物理極限。它的歷史是一個更加混亂的故事，零星的進展常常被傳統的科學期刊所忽視。
1968年，當時的哥倫比亞大學研究生斯蒂芬·威斯納開發了一種用偏振光子編碼資訊的新方法。威斯納還提出，量子態固有的脆弱性可以用來製造防偽量子貨幣。由於無法發表他的許多令人興奮的理論思想，並且被宗教所吸引，去年去世的威斯納基本上退出了學術界，成為以色列的一名建築工人。
在威斯納離開哥倫比亞大學之前，他將自己的一些想法傳遞給了另一位年輕的研究人員。“我的一個室友的男朋友是斯蒂芬·威斯納，他開始向我講述他的‘量子貨幣’，”貝內特回憶道。“[這]讓我覺得很有趣，但它似乎不是一個全新領域的開始。” 20世紀70年代末，貝內特遇到了布拉薩德，兩人開始討論威斯納的貨幣，他們認為這可能需要用鏡子捕獲光子以製造量子鈔票這種不大可能完成的任務。
布拉薩德解釋思考過程時說：“光子註定不會停留，它們註定要傳播。如果它們傳播，還有什麼比通訊更自然的呢？” 貝內特和布拉薩德提出的協議，稱為BB84，將開啟量子密碼學領域。BB84後來在大眾科學上進行了詳細介紹和普及，它允許雙方進行極其保密的資訊交換。如果第三方進行窺探，他們會留下他們干預的不可磨滅的證據——就像損壞量子蠟封一樣。
在貝內特和布拉薩德開發量子密碼學的同時，另一個激進的想法開始出現：量子計算。在1981年5月於馬薩諸塞州 Dedham 的 M.I.T. Endicott House 舉行的現已著名的會議上，物理學家理查德·費曼提出，使用量子原理的計算機可以解決受經典物理定律約束的計算機無法解決的問題。儘管德意志沒有參加會議，但他聽說了這個想法並被深深吸引。“我逐漸越來越相信計算和物理學之間的聯絡，”他說。
在那年晚些時候與貝內特聊天時，德意志經歷了一次關鍵的頓悟：當時流行的計算理論是基於錯誤的物理學——艾薩克·牛頓的“經典”力學和阿爾伯特·愛因斯坦的相對論方法，而不是更深層次的量子現實。“所以我認為我應該重寫計算理論，將其建立在量子理論而不是經典理論的基礎上，”德意志平淡地說。“我並不期望從中產生任何根本性的新事物。我只是期望它會更嚴謹。” 然而，很快，他意識到他描述的是一種截然不同的計算機。即使它實現了相同的結果，它也是透過量子力學原理實現的。
德意志的新理論提供了量子力學和資訊理論之間的關鍵聯絡。“它使量子力學能夠以我的計算機科學語言為我所理解，”加州大學伯克利分校的計算機科學家烏梅什·瓦齊拉尼說。後來，德意志與澳大利亞數學家理查德·喬薩作為原理證明提出了第一個演算法，該演算法比經典演算法快指數倍——儘管它沒有任何實際用途。
但很快就出現了更有用的應用。1991年，當時在牛津大學讀研究生的阿圖爾·埃克特提出了一種新的量子密碼學協議 E91。這項技術因其優雅性和實用性以及發表在一流物理學期刊上的事實而引起了許多物理學家的關注。“這是一個很棒的想法。令人有點驚訝的是，埃克特沒有出現在今年基礎物理學突破獎的獲獎者名單中，”吉辛說。
兩年後，當貝內特、布拉薩德、喬薩、計算機科學研究員克勞德·克雷波以及物理學家阿舍爾·佩雷斯和威廉·伍特斯提出量子隱形傳態時，物理學家們開始關注了。這項新技術將使一方能夠透過量子糾纏將資訊（例如擲硬幣的結果）傳輸給另一方，量子糾纏是一種可以連線電子等物體的量子關聯。儘管流行的科幻小說斷言，但這項技術不允許超光速訊息傳遞——但它極大地擴充套件了現實世界量子通訊的可能性。“這是最令人難以置信的想法，”中國科學技術大學的量子物理學家陸朝陽說，他幫助從太空實施了這項技術。
諸如“革命”之類的詞語被過度用於描述科學進步，科學進步通常是緩慢而漸進的。但1994年，肖爾悄然開始了一場革命。在 AT&T 貝爾實驗室工作期間，他聽取了瓦齊拉尼和貝內特的演講。“我開始思考量子計算機可以做哪些有用的事情，”他說。“我認為這不太可能。但這是一個非常有趣的領域。所以我開始研究它。我真的沒有告訴任何人。”
受到其他量子演算法在週期性或重複性任務中取得成功的啟發，肖爾開發了一種演算法，該演算法可以比任何經典演算法快指數倍地將數字分解為質因數（例如，21 = 7 x 3）。其影響立即顯而易見：質因數分解是現代加密技術的支柱。最終，量子計算機有了一個真正具有顛覆性意義的實際應用。肖爾演算法“清楚地表明，你必須放下一切”來研究量子計算，瓦齊拉尼說。
儘管肖爾找到了量子計算機的強大用例，但他並沒有解決如何構建量子計算機這個更困難的問題——即使在理論上也是如此。這些裝置可以利用脆弱的量子態來超越經典計算，但也使其極易出錯。此外，經典計算機的糾錯策略不能用於量子計算機。儘管如此，在1995年於義大利都靈舉行的量子計算會議上，肖爾與其他研究人員打賭，量子計算機將比經典計算機更快地分解一個 500 位數字。（即使使用當今的經典超級計算機，分解 500 位數字也可能需要數十億年。）沒有人接受肖爾的賭注，有些人要求增加第三種選擇：太陽會先燃盡。
量子計算機受到兩種型別的錯誤的困擾：位錯誤和相位錯誤。這些錯誤類似於將指南針指標從北向南或從東向西翻轉。不幸的是，糾正位錯誤會使相位錯誤更糟，反之亦然。換句話說，更精確的北方方位會導致不太精確的東方或西方方位。但在1995年晚些時候，肖爾弄清楚瞭如何將位糾正和相位糾正結合起來——一系列操作類似於解魔方，但不會改變已完成的一面。在量子計算機變得更強大之前，肖爾演算法仍然無效（用該演算法分解的最高數字是 21，因此經典分解仍然領先——目前如此）。但它仍然使量子計算成為可能，即使不是實際可行。“那時整個事情才變得真實，”布拉薩德說。
所有這些工作都導致了對量子力學和計算的新看法。對於德意志來說，這啟發了更基本的“構造器”理論——他說，該理論描述了“所有物理變換的集合”。其他人則對量子領域是否會湧現出更深刻的見解持懷疑態度。“量子力學真的很奇怪，我認為永遠不會有任何簡單的方法來理解它，”肖爾說。當被問及他對量子計算的研究是否使現實的本質更容易或更難理解時，他頑皮地說，“它肯定讓它更加神秘。”
最初只是一種消遣或折衷的智力追求，現在已經遠遠超出了該領域先驅們最瘋狂的想象。“我們從沒想過它會變得實用。思考這些瘋狂的想法只是很有趣，”布拉薩德說。“在某個時候，我們決定我們是認真的，但人們並沒有追隨我們。這令人沮喪。現在它得到了如此程度的認可，真是令人欣慰。”