近日，瑞士物理学家尼古拉斯·吉辛和英国物理学家约翰·拉瑞蒂因“在使用光纤进行早期量子密钥分发实验中的重要贡献”，获2023年度“墨子量子奖”。
让量子密码学蓬勃发展成为可能
基于量子密钥分发的量子通信技术是一种可提供信息论安全的通信方式，将大幅提升现有信息系统的信息安全传输水平。目前，量子通信已走向实用化和产业化，并在政务、金融、能源等领域得到应用。
发布会上，2023年“墨子量子奖”国际评审委员会委员、中国科学技术大学教授潘建伟介绍，量子通信实验已经历三个阶段：一是理论方案和原理验证实验，包括量子密钥分发和量子隐形传态；二是量子密钥分发系统在现实环境中的可行性测试；三是实际安全、规模化的量子通信。
此次吉辛和拉瑞蒂获奖，是因为在第二个阶段的重要贡献。
1993年，拉瑞蒂与同事首次在10公里光纤基于相位编码中，演示了量子密钥分发的原型系统，成功展示了如何在长距离光纤中保持量子态的完整性。他们还开发了一种用于探测通信波段单光子的探测器。
同年，吉辛与同事在超1.1公里的光纤中基于偏振编码实现了量子密钥分发。随后，他们通过商用光纤将量子密钥分发距离拓展到23公里，展示了标准电信光纤中的长距离量子通信的可行性和稳定性。他们还发展了“即插即用”结构以提升系统稳定性。这些工作开启了长距离量子通信时代的实验。
“作为量子密码学早期实验者，他们使该领域的蓬勃发展成为可能，并达到今天的水平，该领域将成为价值数十亿美元的产业。”2019年“墨子量子奖”获得者、量子密码和量子隐形传态创始人之一、加拿大蒙特利尔大学教授吉勒斯·布拉萨德表示。
量子通信的下一个突破
经过前两个阶段的实验验证和规模化应用，量子通信开始迈向更远距离的实用化征程，这需要有更多突破。
在回答现场记者提问时，潘建伟表示，在这一阶段有两个突破是可以预见的。
1、连接城际量子保密通信网络
首先是基于量子隐形传态和纠缠纯化的想法来实现实用的量子中继器，进而连接城际距离的量子通信网络。
“通过这种方式，我们可以实现真正长距离的纠缠分发。”他介绍，他的团队正在量子中继器的帮助下研究千公里的纠缠分布。“我们预计可能会在5或6年内或类似的时间内实现。它不仅对量子密钥分发有用，对未来实现量子网络也有用。”
2、构建全球量子保密通信网络
其次是量子卫星星座。“明年，我们将发射两到三颗低轨道微型卫星，并将与2027年发射的高轨道卫星结合。在此基础上，我们应该能通过结合五个网络和量子卫星星座来构建一个全球通信网络。”
“我很乐观，我们应该能够在未来5到10年内真正提供一些东西。”潘建伟说。
走向日常生活的量子通信
那么，随着大规模量子保密通信网络逐步建成，量子通信未来会应用到日常生活吗？还是只限定在政务、银行等保密要求更高的领域？
对此，吉辛和拉瑞蒂显得很乐观。
“我们考虑过在日常生活中使用密钥技术。我们在2000年代初开发了一种方案，旨在通过手机交换密钥，你能与银行自动取款机或其他任何你想使用的机器或公司共享密钥。”拉瑞蒂说。
这个密钥在于，如果基础设施已就位，人们就可以在网上购买商品并使用这个PIN进行保护。“因为你可以在将PIN发送到互联网时使用一次性密钥对其进行编码”。
他认为，之所以还没有得到广泛应用，因为这需要建立一个安全的密钥分发基础设施，为所有这些操作提供支持，以便银行将共享的密钥传输到交易中心。
“随着时间推移，这些密钥共享将催生越来越多的应用，这些应用将从大公司延伸到中小型公司，再到个人。”
吉辛表示，这个问题取决于时间尺度、量子密码学的定义。例如，量子密码学可通过卫星进行更远距离的传输，还能应用到拉瑞蒂所说的银行自动取款机上，甚至是一些随机数发生器。
“我对这个市场的发展非常乐观。虽然它没有爆炸式增长或迅速发展，但越来越多的用户对它产生兴趣。比如它最初由研究机构、政府推动，但现在有越来越多的电信运营商和大型银行。虽然仍是相对较小的（市场），但确实在增长。”吉辛说。
墨子量子奖
该奖项由墨子量子基金会设立，通过广泛邀请提名和国际专家评审，进行严格遴选，旨在表彰在量子通信、量子模拟、量子计算和量子计量领域从早期概念贡献到最新实验突破的重大科学进步和做出杰出贡献的科学家。
“墨子量子奖”已成为量子信息与量子科技领域最具国际影响力的学术奖项。2019年度获奖者安东·蔡林格获得2022年诺贝尔物理学奖；2018年度获奖者戴维·多伊奇和彼得·绍尔、2019年度获奖者查理斯·本内特和吉勒斯·巴萨德获2023年科学突破奖；2020年度获奖者香取秀俊和叶军获2022年科学突破奖。
本文综合自赛先生，作者陈晓雪、林梅。
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