Peter Shor, Morss-professoren i anvendt matematikk ved MIT, har blitt utnevnt til mottaker av 2023 Breakthrough Prize in Fundamental Physics. Han deler prisen på 3 millioner dollar med tre andre for “grunnleggende arbeid innen kvanteinformasjon”: David Deutsch ved University of Oxford, Charles Bennett ved IBM Research og Gilles Brassard fra University of Montreal.
I kunngjøringen av prisen fremhevet Breakthrough Prize Foundation Shors bidrag til kvanteinformasjonsfeltet, inkludert den selvtitulerte Shors algoritme for faktorisering av ekstremt store tall, og for en algoritme for å korrigere feil i kvantedatamaskiner.
«Disse ideene banet ikke bare vei for dagens kvantedatamaskiner i rask utvikling; de er nå også ved grensene for grunnleggende fysikk, spesielt i studiet av metrologi – vitenskapen om måling – og kvantetyngdekraften,” heter det i priskunngjøringen.
“Jeg er veldig takknemlig for å se at prisen går til kvanteinformasjon og kvanteberegningsteori i år,” sa Shor til MIT Nyheter. “Mine tre medvinnere var de mest innflytelsesrike personene i å grunnlegge dette feltet. Jeg betrakter dem som venner, og de fortjener det alle helt klart.»
I tillegg har en MIT-alumnus, Daniel A. Spielman PhD ’95, vunnet 2023 Breakthrough Prize in Mathematics for “bidrag til teoretisk informatikk og matematikk, inkludert til spektralgrafteori, Kadison-Singer-problemet, numerisk lineær algebra, optimalisering , og kodingsteori.”
“Jeg er ekstatisk over å se både Peter Shor og Dan Spielman bli anerkjent med gjennombruddspriser i henholdsvis grunnleggende fysikk og matematikk,” sier Michel Goemans, RSA-professor og leder for MITs matematiske avdeling. «Begge ville vært naturlige nominerte til Breakthrough Prize in Theoretical Computer Science, hvis en slik pris eksisterte. Peter og Dan er PhD-utdannede ved vår matematikkavdeling, begge har hatt faste ansettelser i vår avdeling og har vært medlemmer av teorigruppen ved CSAIL, og begge har mottatt de samme prisene. Det er et vitnesbyrd om viktigheten av teoretisk informatikk på tvers av disipliner, spesielt matematikk og fysikk.»
Kvantefrø
De første frøene til kvanteberegningspotensialet ble plantet gjennom de tidlige algoritmene utledet av Deutsch, Bennett, Brassard og Shor.
På begynnelsen av 1980-tallet begynte Deutsch å tenke på problemer hvis løsninger kunne fremskyndes ved hjelp av kvantealgoritmer – formler som ble utledet ved hjelp av kvantemekanikkens lover, snarere enn klassisk fysikk. Han var den første som utviklet en kvantealgoritme som kunne løse et enkelt, om enn konstruert, problem langt mer effektivt enn en klassisk algoritme.
I mellomtiden lette Bennett og Brassard også etter bruk av kvanteinformasjon. I 1984 utviklet de den første kvantekryptografiprotokollen, BB84. De la frem ideen om at to fjerne parter kunne bli enige om en hemmelig krypteringsnøkkel, som ville være sikker mot avlyttinger, basert på et merkelig kvanteprinsipp der verdien av krypteringsnøkkelen umiddelbart ville bli forstyrret og derfor uleselig når den ble målt.
Arbeidet deres demonstrerte den første praktiske anvendelsen av kvanteinformasjonsteori. Det var også Shors første introduksjon til feltet. Matematikeren jobbet ved AT&T Bell Labs på den tiden, og Bennett kom for å holde en tale om hans nye kvantenøkkelkrypteringssystem. “Deres arbeid inspirerte meg til å tenke litt og forske på kvanteinformasjon,” husker Shor. “Men jeg kom egentlig ingen vei den gangen.”
Et tiår senere, i 1994, introduserte Shor sin egen landemerkealgoritme. Shors algoritme beskriver hvordan en tilstrekkelig stor kvantedatamaskin effektivt kan faktorisere ekstremt store tall – en oppgave som ville ta mer enn universets alder for den kraftigste klassiske superdatamaskinen å løse.
De fleste datakrypteringssystemer i dag er avhengige av vanskeligheten med faktorisering for å holde informasjonen sikker. Shors algoritme var den første som viste at i teorien kunne et kvantesystem bryte gjennom de fleste moderne datasikkerhetsvegger. For å gjøre dette praktisk, vil det imidlertid kreve et system med mange nøyaktig kontrollerte kvantebiter. Selv da antok forskerne at den minste støyen i miljøet ville forstyrre de delikate qubitene, og utløste en krusning av feil i beregningene deres som ikke kunne korrigeres uten å forstyrre qubitene ytterligere.
“Da jeg først kom opp med denne factoring-algoritmen, trodde folk at den ville forbli teoretisk for alltid fordi det var dette argumentet om at du ikke kunne korrigere feil på en kvantedatamaskin,” sier Shor.
Kort tid etter, i 1995, utarbeidet Shor en annen algoritme, denne gangen på kvantefeilkorreksjon, som viste at feil i et kvantesystem faktisk kunne isoleres og fikses uten å forstyrre selve kvantebiten, og dermed la kvanteberegningen være intakt. Visjonen om en praktisk kvantedatamaskin ble umiddelbart håndgripelig.
“Med disse to bombe-bidragene satte Peter scenen for at kvantedatabehandling ble det enorme feltet det er nå,” sier Alan Guth, Victor F. Weisskopf-professor i fysikk ved MIT, som som tidligere mottaker av Breakthrough Prize, var den som ringte Shor for å levere nyheten om årets pris.
“Det var en sann glede for meg å kunne fortelle ham at han er en av vinnerne,” sier Guth. “Algoritmene hans overrasket verden og antente kvanteberegningsfeltet. Og til tross for hans spektakulære bidrag, fortsetter Peter å være en varm, vennlig og smilende kollega for alle rundt ham.»
“Peter er en fantastisk kollega og er helt unik,” legger Goemans til. “Tenkeprosessen hans ser ut til å være parallell med kvantealgoritmene han designer og finner opp: Ut av sammenfiltrede ideer og en superposisjon av tilstander dukker det ofte opp en strålende løsning i et Eureka-øyeblikk!”
“Noe av det beste med MIT er at vi har flotte studenter,” sier Shor, som tok en doktorgrad i anvendt matematikk fra MIT i 1985. Deretter tilbrakte han ett år som postdoktor ved Mathematical Sciences Research Institute før han begynte å jobbe. ved AT&T Bell Labs, hvor han utviklet Shors algoritme. I 2003 kom han tilbake til MIT, hvor han har fortsatt sin forskning og undervisning de siste 20 årene.
I dag jobber han med å formulere en teori om kvanteinformasjon, som skal beskrive hvordan data kan lagres og overføres, ved å bruke kvantefysikkens prinsipper. Kommer det en dag da kvantedatamaskiner er avanserte nok til å bryte gjennom våre klassiske sikkerhetssystemer?
“Om fem eller ti år kan vi være ved starten av en Moores lov, hvor kvantedatamaskiner vil forbedre seg jevnt med noen års mellomrom,” spår Shor. «Jeg mistenker at de vil forbedre seg raskt nok til at vi innen to eller tre tiår vil få kvantedatamaskiner som kan gjøre nyttige ting. Forhåpentligvis når kvantedatamaskiner er så store, vil vi bruke forskjellige kryptosystemer som ikke er mottakelige for kvantedatamaskiner.»
Shor krediterer faren sin med å fremme hans tidlige interesse for matematikk. Som en ung gutt, ville bla gjennom farens problemer med Vitenskapelig amerikanskfor å finne favorittdelen hans.
“Martin Gardner hadde en spalte, ‘Mathematical Games’, som var virkelig fantastisk,” minnes Shor. «Det var noen ganger et puslespill, noen ganger en rapport om en ny oppdagelse i matematikk, og det var ofte på et nivå jeg kunne forstå. Jeg gledet meg til å lese den hver måned, og det var noe som førte meg til matte tidlig.»
Vakre gjennombrudd
Daniel Spielman, årets mottaker av Breakthrough Prize in Mathematics, mottok en doktorgrad i anvendt matematikk ved MIT i 1995, som han ble rådet for av Michael Sipser, Donner-professoren i matematikk og tidligere dekan ved MIT School of Science. Spielman begynte deretter i matematikkavdelingen og var på MIT-fakultetet til 2005, før han gikk videre til Yale University, hvor han for tiden er Sterling-professor i informatikk, matematikk, statistikk og datavitenskap.
Spielman spesialiserer seg på design og analyse av algoritmer, hvorav mange har gitt innsikt “ikke bare for matematikk, men for svært praktiske problemer innen databehandling, signalbehandling, engineering og til og med utformingen av kliniske studier,” bemerker Breakthrough Foundation i deres kunngjøring i dag.
“Dan har gjort en rekke viktige og vakre gjennombrudd gjennom årene, fra utvidelsesbaserte feilkorrigerende koder, til jevne analyser av algoritmer, eller spektral sparsifisering av grafer, alt preget av nyskapende matematikk,” sier Goemans.
Blant en rekke funn er Spielman mest kjent for å løse Kadison-Singer-problemet, som i flere tiår ble antatt å være uløselig. Problemet kan tolkes som et grunnleggende spørsmål for kvantefysikken: Kan ny informasjon tydes i et kvantesystem, hvis bare noen av systemets egenskaper blir observert eller målt? Svaret, var de fleste matematikere enige om, nei.
I løpet av flere tiår ble Kadison-Singer-problemet omformulert og vist å være ekvivalent med problemer på tvers av et bredt spekter av matematiske felt. Og i 2013 løste Spielman og hans kolleger en av disse ekvivalente formuleringene som involverer lineær algebra og matriser, og beviste at svaret var ja – faktisk var det mulig å bestemme summen av et kvantesystem fra dets deler.
Gjennombruddsprisene er et sett med internasjonale priser som anerkjenner prestasjonene til forskere i tre kategorier – grunnleggende fysikk, matematikk og livsvitenskap. Premiene ble grunnlagt av Sergey Brin; Priscilla Chan og Mark Zuckerberg; Julia og Yuri Milner; og Anne Wojcicki, og har blitt sponset av stiftelser etablert av dem. 2023-prisene deles ut ved en gallautdeling, og prismottakere vil delta i foredrag og diskusjoner.