2023年度墨子量子獎得主尼古拉斯·吉辛（左）與約翰·拉瑞蒂（右）。

導讀：

  瑞士物理學家尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）和英國物理學家約翰·拉瑞蒂（John Rarity）因”在使用光纖進行早期量子密鑰分發(fā)實驗中的重要貢獻”，獲得2023年度“墨子量子獎”。

陳曉雪 林梅 | 撰文

李珊珊 | 編輯

北京時間10月2日晚，“墨子量子科技基金會” 宣布，2023年度“墨子量子獎”（The Micius Quantum Prize 2023）授予量子通信領(lǐng)域的兩位先驅(qū)科學家，以表彰他們”在使用光纖進行早期量子密鑰分發(fā)實驗中的重要貢獻”。

兩位獲獎人分別為瑞士物理學家尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）和英國物理學家約翰·拉瑞蒂（John Rarity），他們將獲得125萬元人民幣（稅后約15萬美元）的獎金和一枚200克重的金質(zhì)獎?wù)隆?/span>

在第二次量子信息革命中，基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信技術(shù)被認為是一種可以提供信息論可證安全性的通信方式，將大幅提升現(xiàn)有信息系統(tǒng)的信息安全傳輸水平。目前，量子通信已走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，并初步在政務(wù)、金融、電信、能源等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在當晚的新聞發(fā)布會上，2023年“墨子量子獎”國際評審委員會委員、中國科學技術(shù)大學教授潘建偉介紹，量子通信實驗至今已經(jīng)經(jīng)歷了三個階段——第一個是理論方案和原理驗證實驗，這些原理實驗包括量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，第二個是量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在現(xiàn)實環(huán)境中的可行性測試，第三個則是實際安全、規(guī)模化的量子通信。

此次吉辛和拉瑞蒂獲獎，正是因為他們在第二個階段中的重要貢獻。

1993年，還在英國國防部下屬的國防評估與研究局（DERA）任職的拉瑞蒂，與同事首次在10公里光纖基于相位編碼中演示了量子密鑰分發(fā)的原型系統(tǒng)，成功展示了如何在長距離光纖中保持量子態(tài)的完整性。他們還開發(fā)了一種用于探測通信波段單光子的探測器。

同年，尼古拉斯·吉辛及其同事在超過1.1公里的光纖中基于偏振編碼實現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)。兩年后，吉辛和同事通過日內(nèi)瓦湖下的商用光纖進一步將量子密鑰分發(fā)的距離拓展到23公里，展示了標準電信光纖中的長距離量子通信的可行性和穩(wěn)定性。2002年，他和同事還發(fā)展了“即插即用（plug-&-play）”結(jié)構(gòu)以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這些工作開啟了長距離量子通信時代的實驗。

“尼古拉斯·吉辛和約翰·拉瑞蒂是量子密碼學的早期實驗者，他們使該領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展成為可能，并達到了今天我們所知的水平，該領(lǐng)域?qū)⒊蔀橐粋€價值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。如果沒有這些早期的實驗者，這一切都是不可能的?！?019年“墨子量子獎”獲得者、量子密碼和量子隱形傳態(tài)創(chuàng)始人之一、加拿大蒙特利爾大學教授吉勒斯·布拉薩德(Gilles Brassard)表示。

兩位獲獎人將于明年參加在中國舉行的頒獎典禮，并領(lǐng)取他們的獎?wù)隆?/span>

今年72歲的尼古拉斯·吉辛是瑞士日內(nèi)瓦大學的榮休教授，現(xiàn)在德國康斯特大學領(lǐng)導一個由幾名理論物理學家組成的研究小組。

吉辛是一位經(jīng)歷豐富的物理學家。他擁有數(shù)學學士學位，1981年從日內(nèi)瓦大學獲理論物理學博士學位，后在美國羅徹斯特大學做博士后研究。在產(chǎn)業(yè)界工作了幾年之后，他于1988年加入日內(nèi)瓦大學，重回學術(shù)界，推動光學傳感器和量子光學的研究。

“知道我和約翰沿著吉勒斯·布拉薩德和其他許多人的道路一起獲獎，這真的很棒。這個獎是獎勵給量子密碼學的，我對我們所做的一切感到非常自豪?！奔帘硎?。

布拉薩德與查理斯·貝內(nèi)特（Charles Bennett）在1984年提出第一個量子密碼學協(xié)議，即著名的BB84協(xié)議，這是基于單光子的一種量子通信協(xié)議，借助共享密鑰和一次一密，可以實現(xiàn)無條件的安全通信。

在發(fā)表獲獎感言時，吉辛回憶了自己進入量子密碼學研究的歷程。

他表示，與出身于密碼學研究的布拉薩德不同，他是物理學家，接受的基本訓練是物理，量子物理是他的激情所在。

因此，當吉辛還在日內(nèi)瓦讀書時，就對貝爾不等式是否能驗證量子系統(tǒng)中是否存在隱變量興趣濃厚，也就是量子力學到底是定域的，還是非定域的。

貝爾不等式的提出者、愛爾蘭物理學家約翰·貝爾在日內(nèi)瓦的歐洲核子中心工作。因此，在日內(nèi)瓦讀書的吉辛有機會見到比自己年長24歲的貝爾，一起討論和用餐?！凹s翰是素食主義者，所以奶酪對我們來說是一種妥協(xié)?！奔粱貞浀?。

后來，吉辛到羅徹斯特大學做博士后研究，第一個在光學平臺上拍攝到單光子的物理學家、量子光學的創(chuàng)始人之一倫納德·曼德爾（Leonard Mandel）在該校工作。對于吉辛來說，曼德爾在量子光學領(lǐng)域取得的豐碩成果也是一種激勵。

當吉辛回到日內(nèi)瓦大學工作，買了一個單光子探測器，雖然他不知道用它來做什么，但依然覺得能夠探測到單光子令人著迷。

接下來發(fā)生的事情，吸引吉辛從驗證貝爾不等式的興趣拓展到量子密碼學。

首先，他讀到一篇查理·貝內(nèi)特的論文，這使得他注意到了量子密碼學。“啊，我想我有一個單光子探測器，我也知道很多關(guān)于光纖的知識，因為我在瑞士電信行業(yè)工作了很多。所以我說，讓我們就這樣做吧?！?/span>

接著，他聽到一個消息，英國有個家伙證明了 4公里貝爾不等式的不成立?！拔覍Υ烁械椒浅ｓ@訝?！?/span>

這個家伙，就是此次和他一起獲獎的約翰·拉瑞蒂。不過，拉瑞蒂的實驗還沒有走出實驗室。1997年，吉辛及其團隊在 10 公里以上的距離上證明了貝爾不等式不成立，這是首次在實驗室外的光纖上證明量子非局域性。“你有兩個光子，它們可能相距很遠，你觸摸其中一個，測量其中一個，另一個就會顫抖。這就是非局域性。相對來說這應(yīng)該是很好理解的。但要被接受，我不得不說，這在當時甚至不是一個可以被接受的想法。”

遺憾的是，與他一起討論過的貝爾在1990年因突發(fā)腦溢血去世，年僅62歲。

吉辛意識到，在光纖上破壞貝爾不等式的技術(shù)和量子密碼學本質(zhì)上是相同的，實際上都用到了量子的非局域性?！白寣W生來做違反貝爾不等式的工作很容易。但我們需要為此改進探測器。一旦我們有了好的探測器，實際上，做好量子密碼學也不太難。這就是我進入量子密碼學的方式。”吉辛說。

對于吉辛的工作，布拉薩德評價說：“他不僅是量子密碼學早期實驗者中的巨人，而且在其輝煌的職業(yè)生涯中打破了許多其他障礙?！?/span>

布拉薩德指出，吉辛在1997年的工作，實際上第一個實現(xiàn)了遠距離違反貝爾不等式的演示?！拔蚁霃娬{(diào)的是，2022年諾貝爾物理學獎是因為違反貝爾不等式的實驗而頒發(fā)的。尼古拉沒有得到它，但我認為他應(yīng)該得獎?！辈祭_德說。（相關(guān)文章：這個領(lǐng)域被忽視了數(shù)十年，終獲諾獎?wù)J可）

他補充說，尼古拉還是第一個實現(xiàn)千米尺度量子隱形傳態(tài)的人，該實驗在2003年完成。

幾年前，吉辛從日內(nèi)瓦大學退休，來到德國的康斯特大學任職。作為一名長時間在實驗物理學一線的科學家來說，令人失落之處可能在于不再擁有實驗室，沒辦法再繼續(xù)做實驗。但好在，他仍然可以繼續(xù)做理論物理的工作，繼續(xù)做活躍的物理學家。“我想只要我還在熱愛，我就會繼續(xù)成為一名活躍的科學家?！?/span>

吉辛也是一位科普作家。他在2014年出版的科普圖書Quantum Chance: Nonlocality, Teleportation and Other Quantum一書，用簡化的故事、類比等解釋了量子糾纏和非局域性等量子理論中的奇怪的特性，被許多讀者評論為關(guān)于量子物理學最好的通俗讀物。

吉辛還是2001年成立的瑞士量子通信技術(shù)公司ID Quantique的創(chuàng)始人之一。

“這是第一個真正成功的商業(yè)公司，建立了量子密碼設(shè)備這個市場。這也是量子密碼學成為現(xiàn)實的重要一步?！辈祭_德說。

約翰·拉瑞蒂。圖源：維基百科

得知自己獲獎時，約翰·拉瑞蒂非常驚訝：“那天剩下的時間里我都有些恍惚！我想我有點冒名頂替綜合癥，但現(xiàn)在我感到非常榮幸，我的工作得到了認可?！?/span>

拉瑞蒂是英國布里斯托大學的光通信系統(tǒng)教授，主要研究利用單光子和糾纏的光學量子技術(shù)。他本科畢業(yè)于謝菲爾德大學，1984年獲得英國皇家軍事科學院博士學位，曾在英國國防評估與研究局(DERA)任職，2001年加入布里斯托大學。

1990年，拉瑞蒂在實驗室進行了基于相位和動量的貝爾不等式的測量?！拔覀儺敃r真的很興奮，因為我們的結(jié)果顯示違反了貝爾不等式。我們正在證明量子力學是一種幽靈般的超距作用，盡管實驗中的距離只有一米。”

隨后，拉瑞蒂嘗試用成對的光子做一些更加瘋狂的事情。在一個會議上，他的同事告訴他，牛津大學的阿圖爾·?？颂?/span>（Artur Ekert）有個方案可以來進行量子密鑰交換或量子密鑰生成。

熟知單光子通信的拉瑞蒂，立刻想到是否可用他們的糾纏實驗來實現(xiàn)埃克特提出的協(xié)議，但發(fā)現(xiàn)他們這個叫做路徑糾纏的系統(tǒng)做不到，卻能實現(xiàn)James Franson提出的協(xié)議。

1994年，拉瑞蒂完成了距離4.3 公里光纖的光纖干涉儀中的雙光子干涉效應(yīng)，展示了貝爾不等式的違反——如上文所說，一個改變了吉辛的實驗。

到了20 世紀 90 年代后期，拉瑞蒂專注于自由空間密鑰分發(fā)，是首批研究衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)方案可行性的人之一。

拉瑞蒂表示，歐洲最早在2000年左右就開始討論在自由空間做量子密鑰分發(fā)的項目。遺憾的是，“我們歐洲人不像你們中國人那樣團結(jié)。有很多細節(jié)需要研究，但它需要一個大人物來籌集足夠的資金（并發(fā)展技術(shù)）來發(fā)射衛(wèi)星?！?/span>

2016年，中國的墨子號量子衛(wèi)星升空，并進行地空量子密鑰分發(fā)的實驗?！拔覀兒芨吲d聽到這個實驗終于在2017年到來?！崩鸬僬f。

經(jīng)過前兩個階段的實驗驗證和規(guī)模化應(yīng)用，量子通信開始邁向更遠距離的實用化征程，這需要有更多的突破。

在回答現(xiàn)場記者提問時，潘建偉表示，在這一階段有兩個突破是可以預見的。

首先是基于量子隱形傳態(tài)和糾纏純化的想法來實現(xiàn)實用的量子中繼器，這樣就可以連接城際距離的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

量子中繼器的核心思想是通過糾纏交換解決光子損失問題，通過糾纏純化解決退相干問題，即從大量較低糾纏態(tài)中提取高度糾纏態(tài)子集的方法，通過量子存儲解決概率性糾纏光源導致的資源呈指數(shù)消耗問題。

“通過這種方式，我們可以實現(xiàn)真正長距離的糾纏分發(fā)?！迸私▊フf。他介紹，他的團隊正在量子中繼器的幫助下研究千公里的糾纏分布。“我們預計可能會在5或6年內(nèi)或類似的時間內(nèi)實現(xiàn)。這意味著它不僅對量子密鑰分發(fā)有用，對量子網(wǎng)絡(luò)也有用，對未來實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)也有用?！?/span>

其次就是量子衛(wèi)星星座?！懊髂辏覀儗l(fā)射兩到三顆低軌道微型衛(wèi)星，然后與高軌道衛(wèi)星結(jié)合——我們將在2027年發(fā)射。因此，通過將兩者結(jié)合在一起，我們確實應(yīng)該能夠通過結(jié)合五個網(wǎng)絡(luò)和量子衛(wèi)星星座來構(gòu)建一個全球通信網(wǎng)絡(luò)?！?/span>

“我很樂觀，我們應(yīng)該能夠在未來5到10年內(nèi)真正提供一些東西?！迸私▊フf。

那么，量子通信未來會應(yīng)用到我們的日常生活場景嗎？還是只會限定在一些特殊的用途，比如政務(wù)、銀行等保密要求更高的場景？

對于這一問題和量子通信市場的未來，吉辛和拉瑞蒂顯得很樂觀。

“在日常生活中，我們確實考慮過使用密鑰技術(shù)，即在日常生活中進行密鑰共享。我們在2000年代初開發(fā)了一種方案，旨在能夠通過手機交換密鑰，這意味著你可以與銀行自動取款機或其他任何你想使用的機器或公司共享密鑰。”拉瑞蒂說。

他介紹，這個密鑰在于，如果基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)就位，那么人們就可以在網(wǎng)上購買商品并使用這個PIN進行保護，“因為你可以在將PIN發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)時使用一次性密鑰對其進行編碼”。

他認為，現(xiàn)在之所以還沒有得到廣泛應(yīng)用，因為這需要建立一個安全的密鑰分發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，為所有這些操作提供支持，以便銀行可以將共享的密鑰傳輸?shù)狡浣灰字行摹?/span>

“隨著時間的推移，這些密鑰的共享將催生越來越多的應(yīng)用，這些應(yīng)用將從大公司延伸到中小型公司，再到個人?！?/span>

吉辛則表示，這個問題取決于時間的尺度，以及量子密碼學的定義。例如，量子密碼學可以通過衛(wèi)星進行更遠距離的傳輸，還可以應(yīng)用到拉瑞蒂提到的銀行自動取款機上，甚至是一些隨機數(shù)發(fā)生器。

“我對這個市場的發(fā)展非常樂觀。我們清楚地看到，它還沒有達到爆炸式的增長，也沒有像我們希望的那樣迅速發(fā)展，但它顯然在增長，越來越多的實際用戶對它產(chǎn)生了興趣。它最初主要是由研究機構(gòu)、政府推動的，但現(xiàn)在我們有越來越多的私營電信運營商和大型銀行。這仍然是一個小的，相對較小的（市場），但它確實在增長?！奔琳f。

關(guān)于墨子量子獎

為了推動第二次量子革命，“墨子量子基金會”于2018年成立，基金會由中國私營企業(yè)家捐贈。該基金會以中國古代哲學家墨子的名字命名。

“墨子量子獎”由墨子量子基金會設(shè)立，通過廣泛邀請?zhí)崦蛧H專家評審，進行嚴格遴選，旨在表彰在量子通信、量子模擬、量子計算和量子計量領(lǐng)域從早期概念貢獻到最新實驗突破的重大科學進步和做出杰出貢獻的科學家。

“墨子量子獎”已經(jīng)成為量子信息與量子科技領(lǐng)域最具國際影響力的學術(shù)獎項。2019年度獲獎?wù)甙矕|·蔡林格（Anton Zeilinger）獲得2022年諾貝爾物理學獎；2018年度獲獎?wù)叽骶S·多伊奇（David Deutsch）和彼得·紹爾（Peter Shor）、2019年度獲獎?wù)卟槔硭埂け緝?nèi)特（Charles Bennett）和吉勒斯·巴薩德（Gilles Brassard）獲2023年科學突破獎（Breakthrough Prize）；2020年度獲獎?wù)呦闳⌒憧『腿~軍獲2022年科學突破獎。

[1]http://www.miciusprize.org/

[2]https://usern.tums.ac.ir/User/CV/Nicolas_Gisin

[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.64.2495

[4]https://www.bristol.ac.uk/news/2024/october/micius-prize-john-rarity.html

[5]https://qute.sk/portfolio/coursequte-john-rarity/

[6]https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/09500349414552281