2023年度墨子量子獎(jiǎng)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(guó)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(jiǎng)”。

陳曉雪 林梅 | 撰文

李珊珊 | 編輯

北京時(shí)間10月2日晚，“墨子量子科技基金會(huì)” 宣布，2023年度“墨子量子獎(jiǎng)”（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(jiǎng)人分別為瑞士物理學(xué)家尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）和英國(guó)物理學(xué)家約翰·拉瑞蒂（John Rarity），他們將獲得125萬(wàn)元人民幣（稅后約15萬(wàn)美元）的獎(jiǎng)金和一枚200克重的金質(zhì)獎(jiǎng)?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(huì)上，2023年“墨子量子獎(jiǎng)”國(guó)際評(píng)審委員會(huì)委員、中國(guó)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(gè)階段——第一個(gè)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(gè)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(cè)試，第三個(gè)則是實(shí)際安全、規(guī)?；牧孔油ㄐ拧?/span>

此次吉辛和拉瑞蒂獲獎(jiǎng)，正是因?yàn)樗麄冊(cè)诘诙€(gè)階段中的重要貢獻(xiàn)。

1993年，還在英國(guó)國(guó)防部下屬的國(guó)防評(píng)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(zhǎng)距離光纖中保持量子態(tài)的完整性。他們還開(kāi)發(fā)了一種用于探測(cè)通信波段單光子的探測(cè)器。

同年，尼古拉斯·吉辛及其同事在超過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(kāi)啟了長(zhǎng)距離量子通信時(shí)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€(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。如果沒(méi)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(jiǎng)”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(jiǎng)人將于明年參加在中國(guó)舉行的頒獎(jiǎng)典禮，并領(lǐng)取他們的獎(jiǎng)?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(guó)康斯特大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)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(guó)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(dòng)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(jiǎng)，這真的很棒。這個(gè)獎(jiǎng)是獎(jiǎng)勵(lì)給量子密碼學(xué)的，我對(duì)我們所做的一切感到非常自豪?！奔帘硎尽?/span>

布拉薩德與查理斯·貝內(nèi)特（Charles Bennett）在1984年提出第一個(gè)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(wú)條件的安全通信。

在發(fā)表獲獎(jiǎng)感言時(shí)，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(shū)時(shí)，就對(duì)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(ài)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(shū)的吉辛有機(jī)會(huì)見(jiàn)到比自己年長(zhǎng)24歲的貝爾，一起討論和用餐。“約翰是素食主義者，所以奶酪對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一種妥協(xié)。”吉辛回憶道。

后來(lái)，吉辛到羅徹斯特大學(xué)做博士后研究，第一個(gè)在光學(xué)平臺(tái)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?tīng)?/span>（Leonard Mandel）在該校工作。對(duì)于吉辛來(lái)說(shuō)，曼德?tīng)栐诹孔庸鈱W(xué)領(lǐng)域取得的豐碩成果也是一種激勵(lì)。

當(dāng)吉辛回到日內(nèi)瓦大學(xué)工作，買(mǎi)了一個(gè)單光子探測(cè)器，雖然他不知道用它來(lái)做什么，但依然覺(jué)得能夠探測(cè)到單光子令人著迷。

接下來(lái)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)。“啊，我想我有一個(gè)單光子探測(cè)器，我也知道很多關(guān)于光纖的知識(shí)，因?yàn)槲以谌鹗侩娦判袠I(yè)工作了很多。所以我說(shuō)，讓我們就這樣做吧?！?/span>

接著，他聽(tīng)到一個(gè)消息，英國(guó)有個(gè)家伙證明了 4公里貝爾不等式的不成立?！拔覍?duì)此感到非常驚訝?！?/span>

這個(gè)家伙，就是此次和他一起獲獎(jiǎng)的約翰·拉瑞蒂。不過(guò)，拉瑞蒂的實(shí)驗(yàn)還沒(méi)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(gè)光子，它們可能相距很遠(yuǎn)，你觸摸其中一個(gè)，測(cè)量其中一個(gè)，另一個(gè)就會(huì)顫抖。這就是非局域性。相對(duì)來(lái)說(shuō)這應(yīng)該是很好理解的。但要被接受，我不得不說(shuō)，這在當(dāng)時(shí)甚至不是一個(gè)可以被接受的想法。”

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

吉辛意識(shí)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(lái)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(cè)器。一旦我們有了好的探測(cè)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?！奔琳f(shuō)。

對(duì)于吉辛的工作，布拉薩德評(píng)價(jià)說(shuō)：“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(gè)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離違反貝爾不等式的演示。“我想強(qiáng)調(diào)的是，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是因?yàn)檫`反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)而頒發(fā)的。尼古拉沒(méi)有得到它，但我認(rèn)為他應(yīng)該得獎(jiǎng)。”布拉薩德說(shuō)。（相關(guān)文章：這個(gè)領(lǐng)域被忽視了數(shù)十年，終獲諾獎(jiǎng)?wù)J可）

他補(bǔ)充說(shuō)，尼古拉還是第一個(gè)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(lái)到德國(guó)的康斯特大學(xué)任職。作為一名長(zhǎng)時(shí)間在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)一線的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，令人失落之處可能在于不再擁有實(shí)驗(yàn)室，沒(méi)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。“我想只要我還在熱愛(ài)，我就會(huì)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?qǐng)D書(shū)Quantum Chance: Nonlocality, Teleportation and Other Quantum一書(shū)，用簡(jiǎn)化的故事、類(lèi)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(píng)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(gè)真正成功的商業(yè)公司，建立了量子密碼設(shè)備這個(gè)市場(chǎng)。這也是量子密碼學(xué)成為現(xiàn)實(shí)的重要一步?！辈祭_德說(shuō)。

約翰·拉瑞蒂。圖源：維基百科

得知自己獲獎(jiǎng)時(shí)，約翰·拉瑞蒂非常驚訝：“那天剩下的時(shí)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?！?/span>

拉瑞蒂是英國(guó)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(guó)皇家軍事科學(xué)院博士學(xué)位，曾在英國(guó)國(guó)防評(píng)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(dòng)量的貝爾不等式的測(cè)量。“我們當(dāng)時(shí)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?lài)L試用成對(duì)的光子做一些更加瘋狂的事情。在一個(gè)會(huì)議上，他的同事告訴他，牛津大學(xué)的阿圖爾·?？颂?/span>（Artur Ekert）有個(gè)方案可以來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)埃克特提出的協(xié)議，但發(fā)現(xiàn)他們這個(gè)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(shuō)，一個(gè)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(zhuān)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(kāi)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(guó)人那樣團(tuán)結(jié)。有很多細(xì)節(jié)需要研究，但它需要一個(gè)大人物來(lái)籌集足夠的資金（并發(fā)展技術(shù)）來(lái)發(fā)射衛(wèi)星?！?/span>

2016年，中國(guó)的墨子號(hào)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(tīng)到這個(gè)實(shí)驗(yàn)終于在2017年到來(lái)?！崩鸬僬f(shuō)。

經(jīng)過(guò)前兩個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和規(guī)?；瘧?yīng)用，量子通信開(kāi)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(chǎng)記者提問(wèn)時(shí)，潘建偉表示，在這一階段有兩個(gè)突破是可以預(yù)見(jiàn)的。

首先是基于量子隱形傳態(tài)和糾纏純化的想法來(lái)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(guò)糾纏交換解決光子損失問(wèn)題，通過(guò)糾纏純化解決退相干問(wèn)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(guò)量子存儲(chǔ)解決概率性糾纏光源導(dǎo)致的資源呈指數(shù)消耗問(wèn)題。

“通過(guò)這種方式，我們可以實(shí)現(xiàn)真正長(zhǎng)距離的糾纏分發(fā)?！迸私▊フf(shuō)。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(huì)在5或6年內(nèi)或類(lèi)似的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這意味著它不僅對(duì)量子密鑰分發(fā)有用，對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)也有用，對(duì)未來(lái)實(shí)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?，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(guò)將兩者結(jié)合在一起，我們確實(shí)應(yīng)該能夠通過(guò)結(jié)合五個(gè)網(wǎng)絡(luò)和量子衛(wèi)星星座來(lái)構(gòu)建一個(gè)全球通信網(wǎng)絡(luò)?！?/span>

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

那么，量子通信未來(lái)會(huì)應(yīng)用到我們的日常生活場(chǎng)景嗎？還是只會(huì)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(chǎng)景？

對(duì)于這一問(wèn)題和量子通信市場(chǎng)的未來(lái)，吉辛和拉瑞蒂顯得很樂(lè)觀。

“在日常生活中，我們確實(shí)考慮過(guò)使用密鑰技術(shù)，即在日常生活中進(jìn)行密鑰共享。我們?cè)?000年代初開(kāi)發(fā)了一種方案，旨在能夠通過(guò)手機(jī)交換密鑰，這意味著你可以與銀行自動(dòng)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(shuō)。

他介紹，這個(gè)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(gòu)買(mǎi)商品并使用這個(gè)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(shí)使用一次性密鑰對(duì)其進(jìn)行編碼”。

他認(rèn)為，現(xiàn)在之所以還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)檫@需要建立一個(gè)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(shí)間的推移，這些密鑰的共享將催生越來(lái)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(gè)人?！?/span>

吉辛則表示，這個(gè)問(wèn)題取決于時(shí)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(guò)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(dòng)取款機(jī)上，甚至是一些隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

“我對(duì)這個(gè)市場(chǎng)的發(fā)展非常樂(lè)觀。我們清楚地看到，它還沒(méi)有達(dá)到爆炸式的增長(zhǎng)，也沒(méi)有像我們希望的那樣迅速發(fā)展，但它顯然在增長(zhǎng)，越來(lái)越多的實(shí)際用戶對(duì)它產(chǎn)生了興趣。它最初主要是由研究機(jī)構(gòu)、政府推動(dòng)的，但現(xiàn)在我們有越來(lái)越多的私營(yíng)電信運(yùn)營(yíng)商和大型銀行。這仍然是一個(gè)小的，相對(duì)較小的（市場(chǎng)），但它確實(shí)在增長(zhǎng)?！奔琳f(shuō)。

關(guān)于墨子量子獎(jiǎng)

為了推動(dòng)第二次量子革命，“墨子量子基金會(huì)”于2018年成立，基金會(huì)由中國(guó)私營(yíng)企業(yè)家捐贈(zèng)。該基金會(huì)以中國(guó)古代哲學(xué)家墨子的名字命名。

“墨子量子獎(jiǎng)”由墨子量子基金會(huì)設(shè)立，通過(guò)廣泛邀請(qǐng)?zhí)崦蛧?guó)際專(zhuān)家評(píng)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(jiǎng)”已經(jīng)成為量子信息與量子科技領(lǐng)域最具國(guó)際影響力的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)。2019年度獲獎(jiǎng)?wù)甙矕|·蔡林格（Anton Zeilinger）獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；2018年度獲獎(jiǎng)?wù)叽骶S·多伊奇（David Deutsch）和彼得·紹爾（Peter Shor）、2019年度獲獎(jiǎng)?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(jiǎng)（Breakthrough Prize）；2020年度獲獎(jiǎng)?wù)呦闳⌒憧『腿~軍獲2022年科學(xué)突破獎(jiǎng)。

[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