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(dǎo)讀：

  瑞士物理學(xué)家尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）和英國物理學(xué)家約翰·拉瑞蒂（John Rarity）因”在使用光纖進(jìn)行早期量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中的重要貢獻(xiàn)”，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(xué)家，以表彰他們”在使用光纖進(jìn)行早期量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中的重要貢獻(xiàn)”。

兩位獲獎人分別為瑞士物理學(xué)家尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）和英國物理學(xué)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(rèn)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(dāng)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(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉介紹，量子通信實(shí)驗(yàn)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這些原理實(shí)驗(yàn)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(shí)環(huán)境中的可行性測試，第三個則是實(shí)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?yàn)樗麄冊诘诙€階段中的重要貢獻(xiàn)。

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(shí)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(jìn)一步將量子密鑰分發(fā)的距離拓展到23公里，展示了標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)。

“尼古拉斯·吉辛和約翰·拉瑞蒂是量子密碼學(xué)的早期實(shí)驗(yàn)者，他們使該領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展成為可能，并達(dá)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(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)的榮休教授，現(xiàn)在德國康斯特大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)一個由幾名理論物理學(xué)家組成的研究小組。

吉辛是一位經(jīng)歷豐富的物理學(xué)家。他擁有數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位，1981年從日內(nèi)瓦大學(xué)獲理論物理學(xué)博士學(xué)位，后在美國羅徹斯特大學(xué)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(xué)，重回學(xué)術(shù)界，推動光學(xué)傳感器和量子光學(xué)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(xué)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(xué)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(shí)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(jìn)入量子密碼學(xué)研究的歷程。

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

因此，當(dāng)吉辛還在日內(nèi)瓦讀書時，就對貝爾不等式是否能驗(yàn)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(xué)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(xué)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(jī)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粱貞浀馈?/span>

后來，吉辛到羅徹斯特大學(xué)做博士后研究，第一個在光學(xué)平臺上拍攝到單光子的物理學(xué)家、量子光學(xué)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(xué)領(lǐng)域取得的豐碩成果也是一種激勵。

當(dāng)吉辛回到日內(nèi)瓦大學(xué)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(yàn)證貝爾不等式的興趣拓展到量子密碼學(xué)。

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(xué)?！鞍。蚁胛矣幸粋€單光子探測器，我也知道很多關(guān)于光纖的知識，因?yàn)槲以谌鹗侩娦判袠I(yè)工作了很多。所以我說，讓我們就這樣做吧。”

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(shí)驗(yàn)還沒有走出實(shí)驗(yàn)室。1997年，吉辛及其團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(yuǎn)，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(dāng)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(xué)本質(zhì)上是相同的，實(shí)際上都用到了量子的非局域性?！白寣W(xué)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(jìn)探測器。一旦我們有了好的探測器，實(shí)際上，做好量子密碼學(xué)也不太難。這就是我進(jìn)入量子密碼學(xué)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(xué)早期實(shí)驗(yàn)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(shí)際上第一個實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離違反貝爾不等式的演示?！拔蚁霃?qiáng)調(diào)的是，2022年諾貝爾物理學(xué)獎是因?yàn)檫`反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)而頒發(fā)的。尼古拉沒有得到它，但我認(rèn)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(bǔ)充說，尼古拉還是第一個實(shí)現(xiàn)千米尺度量子隱形傳態(tài)的人，該實(shí)驗(yàn)在2003年完成。

幾年前，吉辛從日內(nèi)瓦大學(xué)退休，來到德國的康斯特大學(xué)任職。作為一名長時間在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)一線的科學(xué)家來說，令人失落之處可能在于不再擁有實(shí)驗(yàn)室，沒辦法再繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)。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(xué)家?！拔蚁胫灰疫€在熱愛，我就會繼續(xù)成為一名活躍的科學(xué)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(xué)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(xué)成為現(xiàn)實(shí)的重要一步。”布拉薩德說。

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(diǎn)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(rèn)可。”

拉瑞蒂是英國布里斯托大學(xué)的光通信系統(tǒng)教授，主要研究利用單光子和糾纏的光學(xué)量子技術(shù)。他本科畢業(yè)于謝菲爾德大學(xué)，1984年獲得英國皇家軍事科學(xué)院博士學(xué)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(xué)。

1990年，拉瑞蒂在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了基于相位和動量的貝爾不等式的測量。“我們當(dāng)時真的很興奮，因?yàn)槲覀兊慕Y(jié)果顯示違反了貝爾不等式。我們正在證明量子力學(xué)是一種幽靈般的超距作用，盡管實(shí)驗(yàn)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(xué)的阿圖爾·?？颂?/span>（Artur Ekert）有個方案可以來進(jìn)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(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)?？颂靥岢龅膮f(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(shí)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(shí)驗(yàn)。

到了20 世紀(jì) 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(xiàng)目。遺憾的是，“我們歐洲人不像你們中國人那樣團(tuán)結(jié)。有很多細(xì)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(jìn)行地空量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)?！拔覀兒芨吲d聽到這個實(shí)驗(yàn)終于在2017年到來。”拉瑞蒂說。

經(jīng)過前兩個階段的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和規(guī)?；瘧?yīng)用，量子通信開始邁向更遠(yuǎn)距離的實(shí)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(yù)見的。

首先是基于量子隱形傳態(tài)和糾纏純化的想法來實(shí)現(xiàn)實(shí)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(dǎo)致的資源呈指數(shù)消耗問題。

“通過這種方式，我們可以實(shí)現(xiàn)真正長距離的糾纏分發(fā)?！迸私▊フf。他介紹，他的團(tuán)隊(duì)正在量子中繼器的幫助下研究千公里的糾纏分布。“我們預(yù)計(jì)可能會在5或6年內(nèi)或類似的時間內(nèi)實(shí)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(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)也有用。”

其次就是量子衛(wèi)星星座。“明年，我們將發(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(shí)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)。”

“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。”潘建偉說。

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(shí)考慮過使用密鑰技術(shù)，即在日常生活中進(jìn)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(jī)交換密鑰，這意味著你可以與銀行自動取款機(jī)或其他任何你想使用的機(jī)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(jìn)行保護(hù)，“因?yàn)槟憧梢栽趯IN發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)時使用一次性密鑰對其進(jìn)行編碼”。

他認(rèn)為，現(xiàn)在之所以還沒有得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)檫@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(xué)的定義。例如，量子密碼學(xué)可以通過衛(wèi)星進(jìn)行更遠(yuǎn)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(jī)上，甚至是一些隨機(jī)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(dá)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(shí)際用戶對它產(chǎn)生了興趣。它最初主要是由研究機(jī)構(gòu)、政府推動的，但現(xiàn)在我們有越來越多的私營電信運(yùn)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(shí)在增長。”吉辛說。

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(xué)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(jìn)行嚴(yán)格遴選，旨在表彰在量子通信、量子模擬、量子計(jì)算和量子計(jì)量領(lǐng)域從早期概念貢獻(xiàn)到最新實(shí)驗(yàn)突破的重大科學(xué)進(jìn)步和做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)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(xué)術(shù)獎項(xiàng)。2019年度獲獎?wù)甙矕|·蔡林格（Anton Zeilinger）獲得2022年諾貝爾物理學(xué)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(xué)突破獎（Breakthrough Prize）；2020年度獲獎?wù)呦闳⌒憧『腿~軍獲2022年科學(xué)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