2023年度墨子量子奖得主尼古拉斯·吉辛（左）与约翰·拉瑞蒂（右）。
导读：
陈晓雪 林梅 | 撰文
李珊珊 | 编辑
北京时间10月2日晚，“墨子量子科技基金会” 宣布，2023年度“墨子量子奖”（The Micius Quantum Prize 2023）授予量子通信领域的两位先驱科学家，以表彰他们”在使用光纤进行早期量子密钥分发实验中的重要贡献”。
两位获奖人分别为瑞士物理学家尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）和英国物理学家约翰·拉瑞蒂（John Rarity），他们将获得125万元人民币（税后约15万美元）的奖金和一枚200克重的金质奖章。
在第二次量子信息革命中，基于量子密钥分发的量子保密通信技术被认为是一种可以提供信息论可证安全性的通信方式，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，并初步在政务、金融、电信、能源等领域得到应用。
在当晚的新闻发布会上，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，量子通信实验至今已经经历了三个阶段——第一个是理论方案和原理验证实验，这些原理实验包括量子密钥分发和量子隐形传态，第二个是量子密钥分发系统在现实环境中的可行性测试，第三个则是实际安全、规模化的量子通信。
此次吉辛和拉瑞蒂获奖，正是因为他们在第二个阶段中的重要贡献。
1993年，还在英国国防部下属的国防评估与研究局（DERA）任职的拉瑞蒂，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，尼古拉斯·吉辛及其同事在超过1.1公里的光纤中基于偏振编码实现了量子密钥分发。两年后，吉辛和同事通过日内瓦湖下的商用光纤进一步将量子密钥分发的距离拓展到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。2002年，他和同事还发展了“即插即用（plug-&-play）”结构以提升系统的稳定性。这些工作开启了长距离量子通信时代的实验。
“尼古拉斯·吉辛和约翰·拉瑞蒂是量子密码学的早期实验者，他们使该领域的蓬勃发展成为可能，并达到了今天我们所知的水平，该领域将成为一个价值数十亿美元的产业。如果没有这些早期的实验者，这一切都是不可能的。”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(Gilles Brassard)表示。
两位获奖人将于明年参加在中国举行的颁奖典礼，并领取他们的奖章。
今年72岁的尼古拉斯·吉辛是瑞士日内瓦大学的荣休教授，现在德国康斯特大学领导一个由几名理论物理学家组成的研究小组。
吉辛是一位经历丰富的物理学家。他拥有数学学士学位，1981年从日内瓦大学获理论物理学博士学位，后在美国罗彻斯特大学做博士后研究。在产业界工作了几年之后，他于1988年加入日内瓦大学，重回学术界，推动光学传感器和量子光学的研究。
“知道我和约翰沿着吉勒斯·布拉萨德和其他许多人的道路一起获奖，这真的很棒。这个奖是奖励给量子密码学的，我对我们所做的一切感到非常自豪。”吉辛表示。
布拉萨德与查理斯·贝内特（Charles Bennett）在1984年提出第一个量子密码学协议，即著名的BB84协议，这是基于单光子的一种量子通信协议，借助共享密钥和一次一密，可以实现无条件的安全通信。
在发表获奖感言时，吉辛回忆了自己进入量子密码学研究的历程。
他表示，与出身于密码学研究的布拉萨德不同，他是物理学家，接受的基本训练是物理，量子物理是他的激情所在。
因此，当吉辛还在日内瓦读书时，就对贝尔不等式是否能验证量子系统中是否存在隐变量兴趣浓厚，也就是量子力学到底是定域的，还是非定域的。
贝尔不等式的提出者、爱尔兰物理学家约翰·贝尔在日内瓦的欧洲核子中心工作。因此，在日内瓦读书的吉辛有机会见到比自己年长24岁的贝尔，一起讨论和用餐。“约翰是素食主义者，所以奶酪对我们来说是一种妥协。”吉辛回忆道。
后来，吉辛到罗彻斯特大学做博士后研究，第一个在光学平台上拍摄到单光子的物理学家、量子光学的创始人之一伦纳德·曼德尔（Leonard Mandel）在该校工作。对于吉辛来说，曼德尔在量子光学领域取得的丰硕成果也是一种激励。
当吉辛回到日内瓦大学工作，买了一个单光子探测器，虽然他不知道用它来做什么，但依然觉得能够探测到单光子令人着迷。
接下来发生的事情，吸引吉辛从验证贝尔不等式的兴趣拓展到量子密码学。
首先，他读到一篇查理·贝内特的论文，这使得他注意到了量子密码学。“啊，我想我有一个单光子探测器，我也知道很多关于光纤的知识，因为我在瑞士电信行业工作了很多。所以我说，让我们就这样做吧。”
接着，他听到一个消息，英国有个家伙证明了 4公里贝尔不等式的不成立。“我对此感到非常惊讶。”
这个家伙，就是此次和他一起获奖的约翰·拉瑞蒂。不过，拉瑞蒂的实验还没有走出实验室。1997年，吉辛及其团队在 10 公里以上的距离上证明了贝尔不等式不成立，这是首次在实验室外的光纤上证明量子非局域性。“你有两个光子，它们可能相距很远，你触摸其中一个，测量其中一个，另一个就会颤抖。这就是非局域性。相对来说这应该是很好理解的。但要被接受，我不得不说，这在当时甚至不是一个可以被接受的想法。”
遗憾的是，与他一起讨论过的贝尔在1990年因突发脑溢血去世，年仅62岁。
吉辛意识到，在光纤上破坏贝尔不等式的技术和量子密码学本质上是相同的，实际上都用到了量子的非局域性。“让学生来做违反贝尔不等式的工作很容易。但我们需要为此改进探测器。一旦我们有了好的探测器，实际上，做好量子密码学也不太难。这就是我进入量子密码学的方式。”吉辛说。
对于吉辛的工作，布拉萨德评价说：“他不仅是量子密码学早期实验者中的巨人，而且在其辉煌的职业生涯中打破了许多其他障碍。”
布拉萨德指出，吉辛在1997年的工作，实际上第一个实现了远距离违反贝尔不等式的演示。“我想强调的是，2022年诺贝尔物理学奖是因为违反贝尔不等式的实验而颁发的。尼古拉没有得到它，但我认为他应该得奖。”布拉萨德说。（相关文章：这个领域被忽视了数十年，终获诺奖认可）
他补充说，尼古拉还是第一个实现千米尺度量子隐形传态的人，该实验在2003年完成。
几年前，吉辛从日内瓦大学退休，来到德国的康斯特大学任职。作为一名长时间在实验物理学一线的科学家来说，令人失落之处可能在于不再拥有实验室，没办法再继续做实验。但好在，他仍然可以继续做理论物理的工作，继续做活跃的物理学家。“我想只要我还在热爱，我就会继续成为一名活跃的科学家。”
吉辛也是一位科普作家。他在2014年出版的科普图书Quantum Chance: Nonlocality, Teleportation and Other Quantum一书，用简化的故事、类比等解释了量子纠缠和非局域性等量子理论中的奇怪的特性，被许多读者评论为关于量子物理学最好的通俗读物。
吉辛还是2001年成立的瑞士量子通信技术公司ID Quantique的创始人之一。
“这是第一个真正成功的商业公司，建立了量子密码设备这个市场。这也是量子密码学成为现实的重要一步。”布拉萨德说。
约翰·拉瑞蒂。图源：维基百科
得知自己获奖时，约翰·拉瑞蒂非常惊讶：“那天剩下的时间里我都有些恍惚！我想我有点冒名顶替综合症，但现在我感到非常荣幸，我的工作得到了认可。”
拉瑞蒂是英国布里斯托大学的光通信系统教授，主要研究利用单光子和纠缠的光学量子技术。他本科毕业于谢菲尔德大学，1984年获得英国皇家军事科学院博士学位，曾在英国国防评估与研究局(DERA)任职，2001年加入布里斯托大学。
1990年，拉瑞蒂在实验室进行了基于相位和动量的贝尔不等式的测量。“我们当时真的很兴奋，因为我们的结果显示违反了贝尔不等式。我们正在证明量子力学是一种幽灵般的超距作用，尽管实验中的距离只有一米。”
随后，拉瑞蒂尝试用成对的光子做一些更加疯狂的事情。在一个会议上，他的同事告诉他，牛津大学的阿图尔·埃克特（Artur Ekert）有个方案可以来进行量子密钥交换或量子密钥生成。
熟知单光子通信的拉瑞蒂，立刻想到是否可用他们的纠缠实验来实现埃克特提出的协议，但发现他们这个叫做路径纠缠的系统做不到，却能实现James Franson提出的协议。
1994年，拉瑞蒂完成了距离4.3 公里光纤的光纤干涉仪中的双光子干涉效应，展示了贝尔不等式的违反——如上文所说，一个改变了吉辛的实验。
到了20 世纪 90 年代后期，拉瑞蒂专注于自由空间密钥分发，是首批研究卫星量子密钥分发方案可行性的人之一。
拉瑞蒂表示，欧洲最早在2000年左右就开始讨论在自由空间做量子密钥分发的项目。遗憾的是，“我们欧洲人不像你们中国人那样团结。有很多细节需要研究，但它需要一个大人物来筹集足够的资金（并发展技术）来发射卫星。”
2016年，中国的墨子号量子卫星升空，并进行地空量子密钥分发的实验。“我们很高兴听到这个实验终于在2017年到来。”拉瑞蒂说。
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，这需要有更多的突破。
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。
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，这样就可以连接城际距离的量子通信网络。
量子中继器的核心思想是通过纠缠交换解决光子损失问题，通过纠缠纯化解决退相干问题，即从大量较低纠缠态中提取高度纠缠态子集的方法，通过量子存储解决概率性纠缠光源导致的资源呈指数消耗问题。
“通过这种方式，我们可以实现真正长距离的纠缠分发。”潘建伟说。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。这意味着它不仅对量子密钥分发有用，对量子网络也有用，对未来实现量子网络也有用。”
其次就是量子卫星星座。“明年，我们将发射两到三颗低轨道微型卫星，然后与高轨道卫星结合——我们将在2027年发射。因此，通过将两者结合在一起，我们确实应该能够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。
那么，量子通信未来会应用到我们的日常生活场景吗？还是只会限定在一些特殊的用途，比如政务、银行等保密要求更高的场景？
对于这一问题和量子通信市场的未来，吉辛和拉瑞蒂显得很乐观。
“在日常生活中，我们确实考虑过使用密钥技术，即在日常生活中进行密钥共享。我们在2000年代初开发了一种方案，旨在能够通过手机交换密钥，这意味着你可以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。
他介绍，这个密钥在于，如果基础设施已经就位，那么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，现在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，以便银行可以将共享的密钥传输到其交易中心。
“随着时间的推移，这些密钥的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。”
吉辛则表示，这个问题取决于时间的尺度，以及量子密码学的定义。例如，量子密码学可以通过卫星进行更远距离的传输，还可以应用到拉瑞蒂提到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。我们清楚地看到，它还没有达到爆炸式的增长，也没有像我们希望的那样迅速发展，但它显然在增长，越来越多的实际用户对它产生了兴趣。它最初主要是由研究机构、政府推动的，但现在我们有越来越多的私营电信运营商和大型银行。这仍然是一个小的，相对较小的（市场），但它确实在增长。”吉辛说。
关于墨子量子奖
为了推动第二次量子革命，“墨子量子基金会”于2018年成立，基金会由中国私营企业家捐赠。该基金会以中国古代哲学家墨子的名字命名。
“墨子量子奖”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”已经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（Anton Zeilinger）获得2022年诺贝尔物理学奖；2018年度获奖者戴维·多伊奇（David Deutsch）和彼得·绍尔（Peter Shor）、2019年度获奖者查理斯·本内特（Charles Bennett）和吉勒斯·巴萨德（Gilles Brassard）获2023年科学突破奖（Breakthrough Prize）；2020年度获奖者香取秀俊和叶军获2022年科学突破奖。
[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/10.1080/0950034941455228
