近日，瑞士物理學家尼古拉斯·吉辛和英國物理學家約翰·拉瑞蒂因**“在使用光纖進行早期量子密鑰分發實驗中的重要貢獻”****，**獲2023年度“墨子量子獎”。

尼古拉斯·吉辛（左）與約翰·拉瑞蒂（右）
讓量子密碼學蓬勃發展成為可能

基于量子密鑰分發的量子通信技術是一種可提供信息論安全的通信方式，將大幅提升現有信息系統的信息安全傳輸水平。目前，量子通信已走向實用化和產業化，并在政務、金融、能源等領域得到應用。

發布會上，2023年“墨子量子獎”國際評審委員會委員、中國科學技術大學教授潘建偉介紹，量子通信實驗已經歷三個階段：一是理論方案和原理驗證實驗，包括量子密鑰分發和量子隱形傳態；二是量子密鑰分發系統在現實環境中的可行性測試；三是實際安全、規模化的量子通信。

此次吉辛和拉瑞蒂獲獎，是因為在第二個階段的重要貢獻。

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的原型系統，成功展示了如何在長距離光纖中保持量子態的完整性。他們還開發了一種用于探測通信波段單光子的探測器。

同年，吉辛與同事在超1.1公里的光纖中基于偏振編碼實現了量子密鑰分發。隨后，他們通過商用光纖將量子密鑰分發距離拓展到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定性。他們還發展了“即插即用”結構以提升系統穩定性。這些工作開啟了長距離量子通信時代的實驗。

“作為量子密碼學早期實驗者，他們使該領域的蓬勃發展成為可能，并達到今天的水平，該領域將成為價值數十億美元的產業。”2019年“墨子量子獎”獲得者、量子密碼和量子隱形傳態創始人之一、加拿大蒙特利爾大學教授吉勒斯·布拉薩德表示。量子通信的下一個突破

經過前兩個階段的實驗驗證和規模化應用，量子通信開始邁向更遠距離的實用化征程，這需要有更多突破。

在回答現場記者提問時，潘建偉表示，在這一階段有兩個突破是可以預見的。

連接城際量子保密通信網絡

首先是基于量子隱形傳態和糾纏純化的想法來實現實用的量子中繼器，進而連接城際距離的量子通信網絡。

“通過這種方式，我們可以實現真正長距離的糾纏分發。”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年內或類似的時間內實現。**它不僅對量子密鑰分發有用，對未來實現量子網絡也有用。”
構建全球量子保密通信網絡

其次是量子衛星星座。“明年，我們將發射兩到三顆低軌道微型衛星，并將與2027年發射的高軌道衛星結合。在此基礎上，我們應該能通過結合五個網絡和量子衛星星座來構建一個全球通信網絡。”

“我很樂觀，我們應該能夠在未來5到10年內真正提供一些東西。”潘建偉說。

走向日常生活的量子通信

那么，隨著大規模量子保密通信網絡逐步建成，量子通信未來會應用到日常生活嗎？還是只限定在政務、銀行等保密要求更高的領域？

對此，吉辛和拉瑞蒂顯得很樂觀。

“我們考慮過在日常生活中使用密鑰技術。我們在2000年代初開發了一種方案，旨在通過手機交換密鑰，你能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。

這個密鑰在于，如果基礎設施已就位，人們就可以在網上購買商品并使用這個PIN進行保護。“因為你可以在將PIN發送到互聯網時使用一次性密鑰對其進行編碼”。

他認為，**之所以還沒有得到廣泛應用，因為這需要建立一個安全的密鑰分發基礎設施，為所有這些操作提供支持，**以便銀行將共享的密鑰傳輸到交易中心。

“隨著時間推移，這些密鑰共享將催生越來越多的應用，這些應用將從大公司延伸到中小型公司，再到個人。”

觸手可及的量子通信

隨著我國量子保密通信網絡逐漸織密，量子密鑰已成為一種移動資源，開始走向千行百業、千家萬戶。

吉辛表示，這個問題取決于時間尺度、量子密碼學的定義。例如，量子密碼學可通過衛星進行更遠距離的傳輸，還能應用到拉瑞蒂所說的銀行自動取款機上，甚至是一些隨機數發生器。
“我對這個市場的發展非常樂觀。雖然它沒有爆炸式增長或迅速發展，但越來越多的用戶對它產生興趣。比如它最初由研究機構、政府推動，但現在有越來越多的電信運營商和大型銀行。雖然仍是相對較小的（市場），但確實在增長。”吉辛說。

墨子量子獎

該獎項由墨子量子基金會設立，通過廣泛邀請提名和國際專家評審，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”已成為量子信息與量子科技領域最具國際影響力的學術獎項。2019年度獲獎者安東·蔡林格獲得2022年諾貝爾物理學獎；2018年度獲獎者戴維·多伊奇和彼得·紹爾、2019年度獲獎者查理斯·本內特和吉勒斯·巴薩德獲2023年科學突破獎；2020年度獲獎者香取秀俊和葉軍獲2022年科學突破獎。

本文綜合自賽先生 ，作者陳曉雪、林梅

來源: 賽先生