●●●
2016年8月16日，中國發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，引爆了公眾對量子科學(xué)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(shù)人還是一知半解。
近來，一條“日本成功進(jìn)行超大型衛(wèi)星量子通訊實驗”的新聞刷了屏。典型的報導(dǎo)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(jī)構(gòu)11日宣布首次用超大型衛(wèi)星成功進(jìn)行了量子通訊實驗，該機(jī)構(gòu)稱這使超遠(yuǎn)距離、高保密性衛(wèi)星通訊網(wǎng)研究往前邁向一大步。
美國信息通訊研究機(jī)構(gòu)稱，她們使用一顆名為的超大型衛(wèi)星進(jìn)行了量子通訊實驗，在衛(wèi)星和坐落東京都小金井市的一個地面站之間成功進(jìn)行了光子單位的信息傳送。
衛(wèi)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(lián)通，并以每秒1000萬比特（bit）的速度向地面站發(fā)送光訊號。地面站一邊接收一個個光子一邊將訊號復(fù)原。
美國信息通訊研究機(jī)構(gòu)說，這一研究表明，起初須要小型衛(wèi)星的量子通訊如今也可以用更低成本的大型衛(wèi)星來實現(xiàn)，預(yù)計未來將有更多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)投入到量子通訊產(chǎn)業(yè)中，這有助于太空產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
相關(guān)研究成果已發(fā)表在美國《自然·光子學(xué)》月刊網(wǎng)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(shù)？還是中國開創(chuàng)了一個領(lǐng)域，美國在其中作出了改進(jìn)？是不是如今只有中韓兩國能用衛(wèi)星實現(xiàn)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(wèi)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(dǎo)是錯的？是的，新華社的報導(dǎo)確實是錯的。
不過也不能完全怪新華社，這個錯誤的源頭應(yīng)當(dāng)是美國信息通訊研究機(jī)構(gòu)（and，簡稱NICT），7月11日，它在自己主頁上發(fā)的消息（）：World'sFirstofSpaceUsinga-Aatruly-（用微型衛(wèi)星實現(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)量子通訊。由于這不是哪些秘密：在《自然·光子學(xué)》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(yè)術(shù)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(zhǔn)技術(shù)更可靠地跟蹤光學(xué)地面站（，簡稱OGS），我們加寬了激光束的發(fā)散程度，而且使用了比量子秘鑰分發(fā)（Key，簡稱QKD）所需的更亮的激光脈沖（在大型光學(xué)轉(zhuǎn)發(fā)器【Small，簡稱SOTA】的出口處，每位脈沖包含10的8次方數(shù)目級的光子），盡管在光學(xué)地面站的入口處接收到的光學(xué)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(nèi)。
你大約會疑惑：“量子通訊”這個詞沒有出現(xiàn)啊？吶，我來告訴你：
“量子秘鑰分發(fā)”（QKD）就是媒體上常常說的“量子通訊”的專業(yè)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(shù)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(xiàn)量子通訊，每位脈沖應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)只來一個，你一下子扔來一億個……
這么中國的“墨子號”實現(xiàn)單光子發(fā)射了嗎？實現(xiàn)量子通訊了嗎？其實實現(xiàn)了。才能實現(xiàn)的兩個關(guān)鍵點，是中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉團(tuán)隊發(fā)展出了單光子源和精確的對準(zhǔn)技術(shù)。想想看，在急速運動的衛(wèi)星與地面之間實現(xiàn)單個光子的實時對準(zhǔn)和偵測，相當(dāng)于在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進(jìn)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(zhàn)，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(zhǔn)技術(shù)”，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(shù)細(xì)節(jié)不求甚解，本文的科學(xué)部份到這兒就可以結(jié)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(jìn)一步說明。
明白了英國的這顆衛(wèi)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(biāo)題里：“-to--usinga50-kg-class”（用一顆50公斤級別的微型衛(wèi)星實現(xiàn)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(fā)的先決條件。這篇文章報告的是，微型衛(wèi)星與地面站之間量子極限的通訊實驗。從文章開始到結(jié)束，論文沒有對“量子極限的通訊”給予一個準(zhǔn)確的定義，其實，這個實驗并非是星地之間的量子秘鑰分發(fā)實驗。
再看此文的前言。首先說了一番現(xiàn)今的激光通訊衛(wèi)星都很重，典型的有幾百公斤，倘若能換成大型衛(wèi)星多么有用處。好，沒問題，不過這兒談的是常規(guī)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(fā)可以實現(xiàn)本質(zhì)上難以破解的安全通訊。好，沒問題。之后說，近來中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院發(fā)射了一顆600公斤的量子通訊衛(wèi)星，倘若能用大型的、廉價的衛(wèi)星實現(xiàn)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(rèn)這顆衛(wèi)星實現(xiàn)不了量子通訊。實現(xiàn)不了你在序言中吹這么多干哪些？從來沒見過如此寫科學(xué)論文的！
如今我們可以明白，這篇文章其實是在《自然·光子學(xué)》上發(fā)表的，但《自然·光子學(xué)》完全沒有為她們實現(xiàn)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(xué)價值主要在常規(guī)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(rèn)自己做不了量子通訊，但NICT的報導(dǎo)卻不客氣就把量子通訊置于了標(biāo)題上面，正文中也不提她們沒實現(xiàn)量子通訊。
是這群作者自己想出名想瘋了？還是NICT的領(lǐng)導(dǎo)想搞個大新聞？不得而知。無論是誰主導(dǎo)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(xué)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(jié)一下：星地量子通訊的難點在于單光子的發(fā)射和偵測，這顆微型衛(wèi)星做不到這一點，只好一次發(fā)一億個光子。在這個基本條件完全不達(dá)標(biāo)的前提下，她們對好多其他的次要的環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，如編碼方法、多普勒位移，堪稱這種技術(shù)能用到將來的星地通訊上。其實，這種技術(shù)中有一些對量子通訊可能會是有用的，起碼對常規(guī)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(jìn)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(xué)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(xué)院數(shù)學(xué)系王向斌院長對這項工作有一個傳神的比喻：相當(dāng)于有人做了個很小很輕的客機(jī)，惟一的問題就是不能飛，之后他說從大型化指標(biāo)上看，他的客機(jī)好過他人能飛的客機(jī)。
中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院蘇州微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室張強(qiáng)院士告訴我一件趣事。2014年，這篇文章的通訊作者（即科學(xué)負(fù)責(zé)人）在南京召開的量子通訊、測量和估算國際會議上說，衛(wèi)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(wèi)星不能做量子通訊。但是中國科學(xué)家的實踐證明，他這話犯了雙重的錯誤。第一，墨子號衛(wèi)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(wèi)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(yù)料。
一個“好消息”是：這場荒謬劇對學(xué)術(shù)界的損害并不大，由于絕大多數(shù)科學(xué)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(xué)是描述微觀世界數(shù)學(xué)規(guī)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(wěn)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(zhì)能導(dǎo)電，有些物質(zhì)不導(dǎo)電，有些物質(zhì)是半導(dǎo)體，還有些物質(zhì)是超導(dǎo)體？從晶體管到激光器，現(xiàn)代社會的每一樣科技成就，都離不開量子熱學(xué)。
量子信息是量子熱學(xué)與信息科學(xué)結(jié)合形成的交叉科學(xué)，目的是借助量子力學(xué)實現(xiàn)精典信息科學(xué)中實現(xiàn)不了的功能，比如永遠(yuǎn)不會被破解的保密方式（就是本文中解釋的量子秘鑰分發(fā)）、科幻影片中的“傳送術(shù)”（是的，傳送術(shù)原則上是可以實現(xiàn)的，它的專業(yè)名稱稱作“量子隱型傳態(tài)”）。
正如精典的信息科學(xué)包括通訊和估算兩大領(lǐng)域，量子信息也可以分為兩大領(lǐng)域：量子通訊和量子估算。
量子通訊的內(nèi)容，包括量子秘鑰分發(fā)（又稱為“量子保密通訊”）和量子隱型傳態(tài)（即傳送術(shù)）以及“超密編碼”等等。在嚴(yán)格的科學(xué)意義上，量子秘鑰分發(fā)并不等于量子通訊，而是它的一部份。可是，量子秘鑰分發(fā)發(fā)展得最快，早已接近產(chǎn)業(yè)化了，比如中國的若干金融機(jī)構(gòu)在試用量子通信儀器來傳輸核心數(shù)據(jù)。而量子隱型傳態(tài)以及整個量子估算領(lǐng)域，都還處于實驗室演示階段，離實用特別遠(yuǎn)。為此，媒體上報導(dǎo)的量子通訊，在大多數(shù)情況下就特指量子秘鑰分發(fā)。
要理解量子秘鑰分發(fā)，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(shù)情報人員舍生忘死角逐的那種東西。說得正規(guī)一點量子通訊潘，秘鑰就是從明文到密文的變換規(guī)則。
發(fā)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(xiàn)實生活當(dāng)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(dāng)然就是一件事情：不經(jīng)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(guān)鍵在于，這兒的秘鑰并不是預(yù)先形成的，一方拿在手里想交給另一方。在初始狀態(tài)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(xué)的個別特點，可以促使雙方同時在各自手里形成一串隨機(jī)數(shù)，而且不用看對方的數(shù)據(jù)，才能確定對方的隨機(jī)數(shù)序列和自己的隨機(jī)數(shù)序列是完全相同的——這串隨機(jī)數(shù)序列就是秘鑰。
量子秘鑰的形成過程，同時就是分發(fā)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(fā)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(jīng)過信使直接分享密鑰，僅此而已。這就是為何，它的專業(yè)名稱稱作量子秘鑰分發(fā)！
科學(xué)家提出了若干種量子秘鑰分發(fā)的技術(shù)方案，都稱作某甲合同（如同計算機(jī)科學(xué)中的“TCP/IP合同”）。在大多數(shù)合同中，都須要發(fā)送方每次只發(fā)送一個光子。為何呢？由于假如少于一個光子，原則上一個監(jiān)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(shù)分離功擊”。實際上，在精典的光通訊中，監(jiān)聽也是這樣進(jìn)行的，即從大量的光子中盜取一部份。而假如每次只發(fā)一個光子，就可以保證監(jiān)聽者難以偷到任何信息。
在所有的量子秘鑰分發(fā)合同中，目前最先進(jìn)的是“誘騙態(tài)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(fā)射許多弱光脈沖，相當(dāng)于發(fā)射一些單光子脈沖和一些多光子脈沖。通過引誘態(tài)方式，可以只用其中的單光子脈沖。對于量子秘鑰分發(fā)的安全性而言，相當(dāng)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(yīng)用上的一大障礙。
“墨子號”用的是弱光光源，還使用了引誘態(tài)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(wèi)星一次發(fā)一億個光子，也沒有用利誘態(tài)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(xué)技術(shù)學(xué)院淮安微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室陳宇翱院士、張強(qiáng)院士和北大學(xué)院數(shù)學(xué)系王向斌院士、交叉信息研究院尹璋琦博士在科學(xué)內(nèi)容方面的指教。
作者袁嵐峰是中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理博士，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院淮安微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室副研究員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰。
相關(guān)文章：
1.
2.
3.
4.
5.
