量子密鑰分發(fā)早期實(shí)驗(yàn)者獲2023年度墨子量子獎(jiǎng)

近日，瑞士物理學(xué)家尼古拉斯·吉辛和英國(guó)物理學(xué)家約翰·拉瑞蒂因**“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2023年度“墨子量子獎(jiǎng)”。

尼古拉斯·吉辛（左）與約翰·拉瑞蒂（右）
讓量子密碼學(xué)蓬勃發(fā)展成為可能

基于量子密鑰分發(fā)的量子通信技術(shù)是一種可提供信息論安全的通信方式，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，并在政務(wù)、金融、能源等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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)已經(jīng)歷三個(gè)階段：一是理論方案和原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，包括量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)；二是量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的可行性測(cè)試；三是實(shí)際安全、規(guī)?；牧孔油ㄐ?。

此次吉辛和拉瑞蒂獲獎(jiǎng)，是因?yàn)樵诘诙€(gè)階段的重要貢獻(xiàn)。

1993年，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，吉辛與同事在超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)。隨后，他們通過(guò)商用光纖將量子密鑰分發(fā)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。他們還發(fā)展了“即插即用”結(jié)構(gòu)以提升系統(tǒng)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)。

“作為量子密碼學(xué)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)到今天的水平，該領(lǐng)域?qū)⒊蔀閮r(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)?！?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·布拉薩德表示。量子通信的下一個(gè)突破

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。

連接城際量子保密通信網(wǎng)絡(luò)

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，進(jìn)而連接城際距離的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

“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)?！彼榻B，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)。**它不僅對(duì)量子密鑰分發(fā)有用，對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)也有用。”
構(gòu)建全球量子保密通信網(wǎng)絡(luò)

其次是量子衛(wèi)星星座。“明年，我們將發(fā)射兩到三顆低軌道微型衛(wèi)星，并將與2027年發(fā)射的高軌道衛(wèi)星結(jié)合。在此基礎(chǔ)上，我們應(yīng)該能通過(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)。”

“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。”潘建偉說(shuō)。

走向日常生活的量子通信

那么，隨著大規(guī)模量子保密通信網(wǎng)絡(luò)逐步建成，量子通信未來(lái)會(huì)應(yīng)用到日常生活嗎？還是只限定在政務(wù)、銀行等保密要求更高的領(lǐng)域？

對(duì)此，吉辛和拉瑞蒂顯得很樂(lè)觀。

“我們考慮過(guò)在日常生活中使用密鑰技術(shù)。我們?cè)?000年代初開(kāi)發(fā)了一種方案，旨在通過(guò)手機(jī)交換密鑰，你能與銀行自動(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?！崩鸬僬f(shuō)。

這個(gè)密鑰在于，如果基礎(chǔ)設(shè)施已就位，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)?！耙?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，**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，**以便銀行將共享的密鑰傳輸?shù)浇灰字行摹?/p>

“隨著時(shí)間推移，這些密鑰共享將催生越來(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?！?/p>

觸手可及的量子通信

隨著我國(guó)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)逐漸織密，量子密鑰已成為一種移動(dòng)資源，開(kāi)始走向千行百業(yè)、千家萬(wàn)戶(hù)。

吉辛表示，這個(gè)問(wèn)題取決于時(shí)間尺度、量子密碼學(xué)的定義。例如，量子密碼學(xué)可通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的傳輸，還能應(yīng)用到拉瑞蒂所說(shuō)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。雖然它沒(méi)有爆炸式增長(zhǎng)或迅速發(fā)展，但越來(lái)越多的用戶(hù)對(duì)它產(chǎn)生興趣。比如它最初由研究機(jī)構(gòu)、政府推動(dòng)，但現(xiàn)在有越來(lái)越多的電信運(yùn)營(yíng)商和大型銀行。雖然仍是相對(duì)較小的（市場(chǎng)），但確實(shí)在增長(zhǎng)。”吉辛說(shuō)。

墨子量子獎(jiǎng)

該獎(jiǎng)項(xiàng)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·多伊奇和彼得·紹爾、2019年度獲獎(jiǎng)?wù)卟槔硭埂け緝?nèi)特和吉勒斯·巴薩德獲2023年科學(xué)突破獎(jiǎng)；2020年度獲獎(jiǎng)?wù)呦闳⌒憧『腿~軍獲2022年科學(xué)突破獎(jiǎng)。

本文綜合自賽先生 ，作者陳曉雪、林梅