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2016年8月16日，中國發射了世界上第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”，引爆了公眾對量子科學的興趣。許多人都曉得了，中國的量子通訊走在世界最前列——盡管對于量子通訊到底是哪些，大多數人還是一知半解。
近來，一條“日本成功進行超大型衛星量子通訊實驗”的新聞刷了屏。典型的報導像這樣：
新華社東京7月11日電（記者華義）美國信息通訊研究機構11日宣布首次用超大型衛星成功進行了量子通訊實驗，該機構稱這使超遠距離、高保密性衛星通訊網研究往前邁向一大步。
美國信息通訊研究機構稱，她們使用一顆名為的超大型衛星進行了量子通訊實驗，在衛星和坐落東京都小金井市的一個地面站之間成功進行了光子單位的信息傳送。
衛星只有50千克，搭載一個重6千克的大型量子通訊傳輸裝置，在600公里高的軌道上以每秒7千米的速率高速聯通，并以每秒1000萬比特（bit）的速度向地面站發送光訊號。地面站一邊接收一個個光子一邊將訊號復原。
美國信息通訊研究機構說，這一研究表明，起初須要小型衛星的量子通訊如今也可以用更低成本的大型衛星來實現，預計未來將有更多研究機構和企業投入到量子通訊產業中，這有助于太空產業的進一步發展。
相關研究成果已發表在美國《自然·光子學》月刊網路版上。
這則消息到底意味著哪些？大伙議論紛紛。是美國超越了中國的技術？還是中國開創了一個領域，美國在其中作出了改進？是不是如今只有中韓兩國能用衛星實現量子通訊？
我要在這兒可以肯定地回答：以上這種理解都不對。
我咨詢了一群量子信息研究者，又去讀了原始的論文（DOI:10.1038/.2017.107），推論是：
這顆衛星壓根不能做量子通訊！
你或許會驚訝莫名：莫非新華社的報導是錯的？是的，新華社的報導確實是錯的。
不過也不能完全怪新華社，這個錯誤的源頭應當是美國信息通訊研究機構（and，簡稱NICT），7月11日，它在自己主頁上發的消息（）：World'sFirstofSpaceUsinga-Aatruly-（用微型衛星實現空間量子通訊的世界首次演示——通往打造真正安全的全球通訊網路的一大步）。
我能確定的是，無論NICT的主頁或任何媒體如何說，這群俄羅斯研究者都沒有實現量子通訊。由于這不是哪些秘密：在《自然·光子學》的論文上面，就明明白白地寫著她們做不了量子通訊！
其實，這是一句飽含了專業術語的話，普研讀者和記者是看不懂的。原文是：
“TotracktheOGSwiththis,thelaserbeamwas,laser(ontheorderof108perpulseatoftheSOTA,Table1)thanthoseinQKDwereused,attheoftheOGSwere-inof～0.145–6.696.”
大意是用這些簡略的對準技術更可靠地跟蹤光學地面站（，簡稱OGS），我們加寬了激光束的發散程度，而且使用了比量子秘鑰分發（Key，簡稱QKD）所需的更亮的激光脈沖（在大型光學轉發器【Small，簡稱SOTA】的出口處，每位脈沖包含10的8次方數目級的光子），盡管在光學地面站的入口處接收到的光學訊號處于光子極限，在每位脈沖0.145至6.696個光子的范圍內。
你大約會疑惑：“量子通訊”這個詞沒有出現啊？吶，我來告訴你：
“量子秘鑰分發”（QKD）就是媒體上常常說的“量子通訊”的專業名稱。
所以，論文中這句話的要點是哪些？使用了比量子通訊所需的更亮的激光脈沖，每位脈沖包含10的8次方（即一億）數目級的光子。
你又要問了：量子通訊所需的激光脈沖色溫是哪些？
回答是：單光子。
為了實現量子通訊，每位脈沖應當只包含一個光子！
如今你可以明白，為何說每位脈沖包含一億個光子就太亮了。原本一次應當只來一個，你一下子扔來一億個……
這么中國的“墨子號”實現單光子發射了嗎？實現量子通訊了嗎？其實實現了。才能實現的兩個關鍵點，是中國科學技術學院潘建偉團隊發展出了單光子源和精確的對準技術。想想看，在急速運動的衛星與地面之間實現單個光子的實時對準和偵測，相當于在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進一列全速行駛的鐵路上的一個礦泉射手里。這是多么驚人的挑戰，又是多么驚人的成就！而這群俄羅斯研究者既沒有單光子源，又使用了“粗略的對準技術”，只能用一億倍的輸入冗余來保證被偵測到——但這樣也就完全沒有量子通訊可言了。
假如你對量子通訊的技術細節不求甚解，本文的科學部份到這兒就可以結束。假如你還想曉得量子通訊到底是哪些，為何須要單光子，本文會在附表中進一步說明。
明白了英國的這顆衛星根本沒有做量子通訊，一個很自然的問題就是：她們實際做到的是哪些？
回答首先在此文的標題里：“-to--usinga50-kg-class”（用一顆50公斤級別的微型衛星實現星地之間量子極限的通訊）。她們用的是“量子極限的通訊”。論文摘要中說，量子極限的通訊可以提升激光通訊的性能，也是才能從根本上避免黑客功擊、保證安全的量子秘鑰分發的先決條件。這篇文章報告的是，微型衛星與地面站之間量子極限的通訊實驗。從文章開始到結束，論文沒有對“量子極限的通訊”給予一個準確的定義，其實，這個實驗并非是星地之間的量子秘鑰分發實驗。
再看此文的前言。首先說了一番現今的激光通訊衛星都很重，典型的有幾百公斤，倘若能換成大型衛星多么有用處。好，沒問題，不過這兒談的是常規的激光通訊，不是量子通訊。之后說，信息安全十分重要，量子秘鑰分發可以實現本質上難以破解的安全通訊。好，沒問題。之后說，近來中國科學技術學院發射了一顆600公斤的量子通訊衛星，倘若能用大型的、廉價的衛星實現量子通訊，就太好了。好，沒問題。令人下跌墨鏡的是，后文謙遜承認這顆衛星實現不了量子通訊。實現不了你在序言中吹這么多干哪些？從來沒見過如此寫科學論文的！
如今我們可以明白，這篇文章其實是在《自然·光子學》上發表的，但《自然·光子學》完全沒有為她們實現所謂“量子通訊”背書——論文作者說的是“量子極限的通訊”至少是個模糊的概念。
因而，這篇文章的科學價值主要在常規的激光通訊上，而不是量子通訊，但要論奪眼珠的程度，其實是量子通訊高。所以，盡管論文作者在論文中老老實實承認自己做不了量子通訊，但NICT的報導卻不客氣就把量子通訊置于了標題上面，正文中也不提她們沒實現量子通訊。
是這群作者自己想出名想瘋了？還是NICT的領導想搞個大新聞？不得而知。無論是誰主導的這波虛假宣傳，都改變不了事實：這是一場虛假宣傳、滑稽的蹭熱點、科學界稀少的荒謬劇。論文不是虛假論文，消息卻是虛假消息。日本首相特朗普的口頭禪，放在這里再合適不過了：
Fakenews！（虛假新聞！）
總結一下：星地量子通訊的難點在于單光子的發射和偵測，這顆微型衛星做不到這一點，只好一次發一億個光子。在這個基本條件完全不達標的前提下，她們對好多其他的次要的環節進行了優化，如編碼方法、多普勒位移，堪稱這種技術能用到將來的星地通訊上。其實，這種技術中有一些對量子通訊可能會是有用的，起碼對常規的激光通訊可能會是有用的。但無論怎樣，放著最大的困難解決不了，扭頭去改進好多次要的困難，就注定了這項工作的格局不會太高。正如愛因斯坦所說：“我不能容忍這樣的科學家：他掏出一塊木板來，找尋最薄的地方，之后在容易鉆透的地方鉆許多洞。”
知名量子信息理論專家、清華學院數學系王向斌院長對這項工作有一個傳神的比喻：相當于有人做了個很小很輕的客機，惟一的問題就是不能飛，之后他說從大型化指標上看，他的客機好過他人能飛的客機。
中國科學技術學院蘇州微尺度物質科學國家實驗室張強院士告訴我一件趣事。2014年，這篇文章的通訊作者（即科學負責人）在南京召開的量子通訊、測量和估算國際會議上說，衛星光訊號在大氣中傳播的信道衰減最少有60分貝，而60分貝不能成碼，所以衛星不能做量子通訊。但是中國科學家的實踐證明，他這話犯了雙重的錯誤。第一，墨子號衛星把衰減控制到了40分貝。第二，60分貝也能成碼。其實，那位老兄如今就弄成衛星量子通訊的熱情支持者了。只是這些支持形式，有點出人預料。
一個“好消息”是：這場荒謬劇對學術界的損害并不大，由于絕大多數科學工作者都有基本的判定力。好吧，假若這算個好消息的話……
附表：
量子熱學是描述微觀世界數學規律的基本理論。它解答了好多基本問題，比如：為何原子就能穩定存在，繞著原子核運動的電子不會落到原子核起來？為何原子會組合成分子？為何有些物質能導電，有些物質不導電，有些物質是半導體，還有些物質是超導體？從晶體管到激光器，現代社會的每一樣科技成就，都離不開量子熱學。
量子信息是量子熱學與信息科學結合形成的交叉科學，目的是借助量子力學實現精典信息科學中實現不了的功能，比如永遠不會被破解的保密方式（就是本文中解釋的量子秘鑰分發）、科幻影片中的“傳送術”（是的，傳送術原則上是可以實現的，它的專業名稱稱作“量子隱型傳態”）。
正如精典的信息科學包括通訊和估算兩大領域，量子信息也可以分為兩大領域：量子通訊和量子估算。
量子通訊的內容，包括量子秘鑰分發（又稱為“量子保密通訊”）和量子隱型傳態（即傳送術）以及“超密編碼”等等。在嚴格的科學意義上，量子秘鑰分發并不等于量子通訊，而是它的一部份。可是，量子秘鑰分發發展得最快，早已接近產業化了，比如中國的若干金融機構在試用量子通信儀器來傳輸核心數據。而量子隱型傳態以及整個量子估算領域，都還處于實驗室演示階段，離實用特別遠。為此，媒體上報導的量子通訊，在大多數情況下就特指量子秘鑰分發。
要理解量子秘鑰分發，首先要明白哪些是“密鑰”。雖然這個詞很容易理解，它就是日常語言中的“密碼本”，就是《紅燈記》、《潛伏》等懸疑片中無數情報人員舍生忘死角逐的那種東西。說得正規一點量子通訊潘，秘鑰就是從明文到密文的變換規則。
發送方（以下稱為A）和接收方（以下稱為B）假如都有秘鑰，她們之間的通訊就是絕對安全的。在物理上，可以證明敵軍雖然查獲了密文，也難以破譯出明文，他能做的最多也只是胡扯而已。
這聽上去似乎早已解決了保密通訊問題？雖然沒有。真正的困難在于，如何把秘鑰從一方傳到另一方？現實生活當中，須要第三方的信使來傳遞，而這個信使可能被抓或則倒戈，這可就麻煩大了。最好是不通過信使，AB雙方直接碰面分享秘鑰。而且假如雙方可以輕易碰面，還要通訊干哪些？！
量子保密通訊就是為了解決這個問題而提出的。它做的當然就是一件事情：不經過信使，通訊雙方直接共享秘鑰。
為何不通過信使能夠共享秘鑰了？關鍵在于，這兒的秘鑰并不是預先形成的，一方拿在手里想交給另一方。在初始狀態中，秘鑰并不存在！量子秘鑰是在雙方完善通訊以后，通過雙方的一系列操作形成下來的。借助量子力學的個別特點，可以促使雙方同時在各自手里形成一串隨機數，而且不用看對方的數據，才能確定對方的隨機數序列和自己的隨機數序列是完全相同的——這串隨機數序列就是秘鑰。
量子秘鑰的形成過程，同時就是分發過程，這就是量子保密通訊不須要信使的誘因。
雙方都有了秘鑰以后，剩下的事情就是A把明文用秘鑰編碼成密文，之后用任意的通訊方法發給B。真的是任意的通訊方法：電話，電報，電子電郵，甚至平信都行。也就是說，到了密文傳輸這一步，量子通訊就和精典通訊完全相同了。量子通訊所做的，只是讓雙方不經過信使直接分享密鑰，僅此而已。這就是為何，它的專業名稱稱作量子秘鑰分發！
科學家提出了若干種量子秘鑰分發的技術方案，都稱作某甲合同（如同計算機科學中的“TCP/IP合同”）。在大多數合同中，都須要發送方每次只發送一個光子。為何呢？由于假如少于一個光子，原則上一個監聽者就可以把其中的一部份光子攔截出來自己去研究，只放一個光子過去。這樣他就可以泄露秘鑰，這稱作“光子數分離功擊”。實際上，在精典的光通訊中，監聽也是這樣進行的，即從大量的光子中盜取一部份。而假如每次只發一個光子，就可以保證監聽者難以偷到任何信息。
在所有的量子秘鑰分發合同中，目前最先進的是“誘騙態合同”，王向斌院士就是它的提出者之一。實際的激光光源都不是單光子源，發射許多弱光脈沖，相當于發射一些單光子脈沖和一些多光子脈沖。通過引誘態方式，可以只用其中的單光子脈沖。對于量子秘鑰分發的安全性而言，相當于把實際的不完美的光源弄成了單光子源量子通訊潘，克服了應用上的一大障礙。
“墨子號”用的是弱光光源，還使用了引誘態合同，因而其安全性等價于單光子源，這是真正的量子通訊。而法國的微型衛星一次發一億個光子，也沒有用利誘態合同，如今你可以理解這是哪些樣的概念，這紕漏得有多大。簡直是四肢都是紕漏，不知從何說起！
致謝：謝謝中國科學技術學院淮安微尺度物質科學國家實驗室陳宇翱院士、張強院士和北大學院數學系王向斌院士、交叉信息研究院尹璋琦博士在科學內容方面的指教。
作者袁嵐峰是中國科學技術學院物理博士，中國科學技術學院淮安微尺度物質科學國家實驗室副研究員，科技與戰略風云學會會長，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰。
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