量子密鑰分發(fā)早期實驗者獲2023年度墨子量子獎

近日，瑞士物理學(xué)家尼古拉斯·吉辛和英國物理學(xué)家約翰·拉瑞蒂因**“在使用光纖進行早期量子密鑰分發(fā)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(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，量子通信實驗已經(jīng)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(fā)和量子隱形傳態(tài)；二是量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在現(xiàn)實環(huán)境中的可行性測試；三是實際安全、規(guī)?；牧孔油ㄐ?。

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(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，吉辛與同事在超1.1公里的光纖中基于偏振編碼實現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)。隨后，他們通過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。這些工作開啟了長距離量子通信時代的實驗。

“作為量子密碼學(xué)早期實驗者，他們使該領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展成為可能，并達到今天的水平，該領(lǐng)域?qū)⒊蔀閮r值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)?！?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·布拉薩德表示。量子通信的下一個突破

經(jīng)過前兩個階段的實驗驗證和規(guī)?；瘧?yīng)用，量子通信開始邁向更遠(yuǎn)距離的實用化征程，這需要有更多突破。

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。

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實現(xiàn)實用的量子中繼器，進而連接城際距離的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

“通過這種方式，我們可以實現(xiàn)真正長距離的糾纏分發(fā)。”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(yù)計可能會在5或6年內(nèi)或類似的時間內(nèi)實現(xiàn)。**它不僅對量子密鑰分發(fā)有用，對未來實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)也有用?！?br /> 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?！懊髂辏覀儗l(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)?！?/p>

“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。

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，量子通信未來會應(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(shù)。我們在2000年代初開發(fā)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?！崩鸬僬f。

這個密鑰在于，如果基礎(chǔ)設(shè)施已就位，人們就可以在網(wǎng)上購買商品并使用這個PIN進行保護?！耙驗槟憧梢栽趯IN發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)時使用一次性密鑰對其進行編碼”。

他認(rèn)為，**之所以還沒有得到廣泛應(yīng)用，因為這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，**以便銀行將共享的密鑰傳輸?shù)浇灰字行摹?/p>

“隨著時間推移，這些密鑰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?！?/p>

觸手可及的量子通信

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

吉辛表示，這個問題取決于時間尺度、量子密碼學(xué)的定義。例如，量子密碼學(xué)可通過衛(wèi)星進行更遠(yuǎn)距離的傳輸，還能應(yīng)用到拉瑞蒂所說的銀行自動取款機上，甚至是一些隨機數(shù)發(fā)生器。
“我對這個市場的發(fā)展非常樂觀。雖然它沒有爆炸式增長或迅速發(fā)展，但越來越多的用戶對它產(chǎn)生興趣。比如它最初由研究機構(gòu)、政府推動，但現(xiàn)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?！奔琳f。

墨子量子獎

該獎項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，進行嚴(yán)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(lǐng)域從早期概念貢獻到最新實驗突破的重大科學(xué)進步和做出杰出貢獻的科學(xué)家。

“墨子量子獎”已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。2019年度獲獎?wù)甙矕|·蔡林格獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎；2018年度獲獎?wù)叽骶S·多伊奇和彼得·紹爾、2019年度獲獎?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；2020年度獲獎?wù)呦闳⌒憧『腿~軍獲2022年科學(xué)突破獎。

本文綜合自賽先生 ，作者陳曉雪、林梅