機器之心編輯部

一年一度的 ACM 博士論文獎出爐了！

6 月 10 日，美國計算機協會 ACM 宣布了最新一屆的博士論文獎。

該獎項于 1978 年設立，每年頒發給計算機科學與工程領域最佳博士論文的作者，獎金為 20000 美元，榮譽提名獎獎金為 10000 美元。獲獎論文將作為 ACM 圖書系列的一部分，在 ACM 數字圖書館出版。

今年頒發的是 2025 年的獎項，包括一個博士論文獎和兩個博士論文獎榮譽提名。

其中，MIT 博士、現紐約大學庫朗數學、計算與數據科學學院計算機科學助理教授 Allen Liu（劉書亮）憑借博士論文《Learning Theoretic Foundations for Understanding Quantum Systems》摘得本屆 ACM 博士論文獎。

劉書亮的研究方向較為廣泛，主要涉及算法和機器學習理論。目前，他最關注的是機器學習和語言模型的基礎理論。他也曾研究過多個方向，從計算和統計中的基礎問題，到科學領域中的反問題，尤其是量子信息中的相關問題。

此前，他于 2025 年秋季在加州大學伯克利分校擔任 Miller 博士后研究員。他本科同樣就讀于 MIT，專業為數學。博士專業為計算機科學。

值得一提的是 2014 年到 2016 年，劉書亮代表美國奧數代表隊連續三屆拿到過 IMO 金牌，其中 2016 年拿到滿分。在 2020 年，他還參加過阿里巴巴數學競賽決賽。

ACM 博士論文獎榮譽提名授予以下兩位學者：

• 博科尼大學博士后研究員 Gal Arnon，博士論文題為《New Advancements in Interactive Oracle Proofs: Theory, Practice, and Limitations》，他在魏茨曼科學研究所獲得博士學位；
• MIT 助理教授 Rachit Nigam，博士論文題為《Modular Abstractions for Efficient Hardware Desi》，他在康奈爾大學獲得博士學位。

ACM 博士論文獎

• 論文名稱：《Learning Theoretic Foundations for Understanding Quantum Systems》
• 論文鏈接：https://dspace.mit.edu/entities/publication/86bf5543-05b9-45e0-9cfc-2cc342559582

理解并駕馭量子系統的力量，有望改變科學與技術的許多領域。然而，在實現這些愿景之前，首先必須更深入地理解量子系統的基本行為方式。

在這篇論文中，作者從學習理論的視角切入這一問題，發展出理解量子系統、認識其結構性質的新范式。論文給出了一系列出人意料的結果：它們推翻了人們過去對一些基本規律的認識，并在一些此前被認為難以處理的情形中，給出了可證明高效的量子系統學習算法。

在典型的量子多體系統中，系統內的粒子會依據某種幾何結構發生局域相互作用，這通常由局域哈密頓量來描述。這里有兩個關鍵問題：其一，是理解一個給定哈密頓量系統的平衡性質；其二，是從系統性質的測量結果中反推出這個哈密頓量。

針對第一個問題，論文證明了一條普適規律：在一個只取決于幾何結構、與系統規模無關的臨界溫度上，糾纏會發生「驟然消亡」。針對第二個問題，論文提出了第一個能夠在任意溫度下恢復哈密頓量的高效算法，突破了此前人們認為在低溫下難以跨越的障礙。

除了局域相互作用系統之外，論文還研究了一般量子態性質的學習與檢驗問題，重點關注統計復雜性與近期量子設備限制之間的關系。在這些設備限制下，研究只允許對量子態的有限個副本進行糾纏測量。針對許多與近期量子設備相關的情形，論文刻畫了單副本測量以及多副本測量下，學習與檢驗問題所能達到的最優速率。

ACM 博士論文獎榮譽提名

• 論文 1：New Advancements in Interactive Oracle Proofs: Theory, Practice, and Limitations
• 論文鏈接：https://galarnon42.github.io/gal_thesis.pdf

概率證明系統允許一個強大的證明者，說服計算能力較弱的驗證者相信某個大規模、復雜計算的正確性。這類看似神奇的對象，在理論和實踐中都發揮了極其重要的作用。在理論上，它們推動了 PCP 定理、零知識證明以及近似難度等領域的突破；在實踐中，它們是提升云計算和區塊鏈技術可擴展性的關鍵組成部分，并已被廣泛部署，用于保護價值數十億美元的交易。

本文聚焦于交互式預言機證明（interactive oracle proofs，IOPs）。這是一種概率證明模型：證明者與驗證者進行多輪交互；交互結束后，驗證者以概率方式從每條證明者消息中讀取少量比特，并根據讀取到的位置決定接受或拒絕。IOP 是一種極其強大的工具。

從理論上看，它能夠實現其他概率證明系統尚未達到的效率參數；從實踐上看，高效的 IOP 可以被編譯成速度極快、規模極小的密碼學證明，并已被廣泛用于保障真實世界系統的安全。

在這篇論文中，作者從理論、實踐和局限性三個層面，進一步推進了對 IOP 及相關證明系統的理解。

具體而言，本文的貢獻包括：（1）通過證明小查詢復雜度的 IOP 與交互式證明具有同等計算能力，為 IOP 建立了類似 PCP 定理的結果；（2）構造了新的 NP 問題 IOP，具備較小的可靠性誤差和較低的查詢復雜度；（3）為 Reed–Solomon 碼開發了新的、具體效率更高的鄰近性 IOP；（4）揭示了構造高效 IOP 和 PCP 所面臨的障礙。

• 論文 2：Modular Abstractions for Efficient Hardware Desi
• 論文鏈接：https://people.csail.mit.edu/rachit/files/pubs/dissertation.pdf

硬件設計最核心的目標是效率：用盡可能少的資源和功耗，實現速度最快的電路。與此同時，硬件的設計、制造和部署本身需要投入巨量資源，因此，優化決策幾乎貫穿了硬件設計工具的整個設計過程。

模塊化，也就是關注點分離，使可復用組件的設計成為可能，也是軟件革命的重要驅動力。但在硬件設計中，模塊化長期處于次要位置。原因在于，模塊化設計往往會遮蔽電路的一些關鍵屬性，進而導致低效實現。在專用化時代，性能提升越來越依賴于為特定計算任務設計專門硬件，因此，硬件設計迫切需要既模塊化又高效的抽象。

這篇論文指出，對「時間」進行顯式推理，是設計這類抽象的關鍵，并通過三個系統體現了這一思想。

第一個系統是 Dahlia。這是一種可編譯到硬件的命令式語言，它利用對時間敏感的推理，確保上層程序能夠被編譯成高效硬件。

第二個系統是 Calyx。它既是一個編譯器，也是一種中間語言，用于將類似 Dahlia 的語言轉換為硬件描述。Calyx 通過一種新的中間語言，彌合了計算描述與電路實現之間的差距。這種中間語言同時融合了類似軟件的控制流，以及類似硬件的結構化構造。Calyx 還利用一個觀察結果，緩解了周期級時間精確建模與可擴展編譯器優化之間的張力：對時間敏感的執行調度，可以看作是對時間無關調度的進一步細化。

第三個系統是 Filament。這是一種新的硬件描述語言，能夠在模塊接口中直接建模周期級約束，并在編譯期確保設計中不存在結構沖突。

這三個系統共同表明，在每一層抽象中恰當地建模時間，對于構建兼具模塊化和效率的硬件設計工具至關重要。這項工作也為專用加速器時代進一步擴大硬件設計規模奠定了基礎。

https://x.com/TheOfficialACM/status/2064724518325670060

https://www.acm.org/media-center/2026/june/dissertation-award-2025