量子通信就是傳統的激光通信？你可以無知，但不要愚蠢 | 袁嵐峰
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量子通信衛星就是傳統的激光通信衛星？傳統的激光通信是用激光本身來傳信息，而量子通信衛星是用激光來產生密鑰，加密後再用其他方式傳輸密文，完全不是一回事。無知並不丟人，但相信如此違反常理的說法，就不是無知，而是愚蠢了。你可以無知，但不要愚蠢！
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2016年8月16日，中國發射了世界第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，也點燃了群眾對量子科技的興趣。準確地說，相關的學科叫做「量子信息」，想對此了解更多的讀者可以閱讀我的科普文章，例如《你完全可以理解量子信息》（http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml）。此文將近4萬字，你只要下了這個功夫認真去讀，就可以對這個學科獲得比較深入的了解，從此超越「吃瓜群眾」的水平。
「墨子號」量子衛星發射
但顯然，世界上總是有許多人一點辛苦都不願意下，又喜歡對自己完全不懂的問題指手畫腳。於是乎，經常有大批判式的腦殘文章出來奪人耳目。一個典型的例子是這樣一篇：《我為何認為量子通信是個科技騙局》（https://mp.weixin.qq.com/s/-wDq5_ihAKbV9cmS_Xn8Ew）。
不時地有朋友來問我，怎麼看待此文。你說我能怎麼看待？愚蠢的胡攪蠻纏嘛。正常的科技工作者都很重視自己的信譽，寫文章時都盡最大的努力保持正確性，即使有一個不影響主要結論的錯誤都覺得很抱歉。而這種大字報式文章，是張嘴就來，完全不在乎正確性，完全沒有信譽，幾乎已經達到了武俠小說中「渾身都是破綻，也就沒有破綻」的境界，讓人想批都不知道從何處批起。
雖然如此，我還是勉力地想批駁這篇文章中的一點。之所以如此，是因為我以前已經解答過若干種對量子通信的質疑（參見《你完全可以理解量子信息》和《你見到的否定量子通信的說法，為什麼是錯的？》，http://mp.weixin.qq.com/s/tySdgdlj7iG1pOvU0fOkKw），但沒想到過這種質疑。沒有想到，不是因為這種質疑太有技術含量，——正相反，是因為它太沒有技術含量。作者「勇敢」地宣稱，墨子號只是一個傳統的激光通信衛星！
是在下輸了
原文是：
這個衛星居然敢被冠以量子通信的名號，就是一個巨大的欺騙！充分說明潘建偉完全是一個牛皮大王。這叫什麼量子通信？實際上就是一個傳統的激光通信衛星，依然是用激光通道傳送，包括聲稱所謂量子加密也不過是傳統的加密手段而已。
好吧，如此匪夷所思的罪名都有許多人傳來傳去，看來群眾心理學是門有趣的學問。下面我來解釋一下，為什麼這是個愚蠢得突破天際的說法。
一，量子科學實驗衛星實際做的是什麼？
墨子號有三大科學任務，其中一般被媒體稱為「量子通信」的，是「量子密鑰分發」這個任務。它是一種保密的方法，也被稱為量子保密通信。
所謂密鑰，就是《紅燈記》、《潛伏》、《春天的十七個瞬間》等諜戰片中的密碼本，發送方用它加密，接收方用它解密。
密鑰分發，就是讓通信雙方獲得同一套密碼本。傳統上，這是李玉和、余則成等情報人員乾的事。顯然這是個風險很大的任務，信使被抓或者叛變，就會造成慘重的損失。
李玉和
而量子密鑰分發，就是不通過信使，利用量子力學的特性，讓通信雙方直接分享密鑰。簡單地說，就是李玉和可以光榮下崗了！
這樣一解釋，你肯定就會明白，這是一種全新的能力，完全不是傳統方法能夠做到的。
如果你想知道量子密鑰分發的具體過程，可以閱讀我的文章《你完全可以理解量子信息》中的相關內容（http://mp.weixin.qq.com/s/kKLd5_YbjI765qBvuSFB4A）。基本過程是，通信方發出一系列單個光子，接收方測量這些光子的狀態，最終雙方各自獲得了一個由隨機的0和1組成的數列（例如0110010011……），而且不用看對方的數據，就能保證對方的數列跟自己的完全相同。這個數列，就是量子密鑰。
量子密鑰分發
你也許會問，既然量子力學能讓雙方分享信息，那何不直接分享要傳輸的信息？回答是，這套流程產生的只能是隨機數。你想讓它傳輸一段特定的信息，例如111111，對不起，它傳不了。
臣妾做不到啊
隨機數序列本身不能傳輸信息，但作為密鑰，卻正合適不過！為什麼呢？因為用這樣的一串隨機數密鑰加密以後，密文在數學意義上是絕對不可破譯的。這是資訊理論的創始人克勞德·香農（Claude E. Shannon）證明的一個定理。
香農
原因其實很簡單，這樣加密得到的任何的密文都以同樣的概率對應同樣長度的任何的明文，也就是說，密文和明文之間完全沒有關聯。好比你對一群人問：「誰是李向陽？」所有人都回答：「我就是李向陽！」所以你除了瞎猜之外，什麼都得不到。即使你有無限的計算能力，也毫無用武之地，因為這壓根不是個可以破解的數學問題。而許多傳統的密碼術，就是可以被數學破解的，這是量子密碼優於它們的地方。
因此，用量子密鑰給明文加密後，就可以放心大膽地用任意的通信方式來傳輸密文了。這一步就是傳統的通信，可以用光纖，可以用電話，可以用電子郵件，甚至用平信都行，——什麼都行。
總而言之，量子保密通信的全過程包括兩步，第一步是量子密鑰分發，第二步是傳輸密文。所有的特別之處，都在第一步上。所以對量子保密通信的研究，就是對量子密鑰分發的研究。
墨子號具體做到的，是星地之間的量子密鑰分發，即讓衛星和地面站同時獲得密鑰。有了以上的背景知識，你就可以看明白像這樣的報道了：
「墨子號量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級（萬億億倍）。衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1 kbps。」
二，類似的實驗有沒有別的國家在做？
有，例如最近日本發射了一顆名叫「蘇格拉底」（SOCRATES）的微型衛星，也研究了相關的技術。但是，這顆衛星並沒有實現量子密鑰分發。
這裡的原因是，量子密鑰分發需要每個脈衝只包含一個光子。光子是光的最小單位，如果比一個光子還少，就完全沒有光了。因此對竊聽者來說，他或者拿走這個光子，這樣可以阻斷通信，但不能竊密，或者放過這個光子，這樣仍然不能竊密，——總之就是不能竊密。而如果脈衝不是單光子的，竊聽者就可以從每個脈衝中偷一個光子回去研究，這樣就可以竊密了，這叫做「光子數分離攻擊」。
光子數分離攻擊
中國的墨子號發的確實是單光子，所以實現了量子密鑰分發，如上所述，平均成碼率可達1.1 kbps。而日本的蘇格拉底衛星就有意思了，每個光脈衝包含一億個光子。你明白了吧，這是一億倍的不達標啊！
為什麼日本研究組一次要發這麼多光子呢？這是由於他們在衛星和地面站之間的對準精度不夠，為了讓探測器收到信號，只得發一個很強的光脈衝。而墨子號的對準精度非常高，相當於「在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進一列全速行駛的高鐵上的一個礦泉水瓶里」，所以單個光子就可以探測到。這真叫做：行家一伸手，就知有沒有！人比人得死，貨比貨得扔！
墨子號量子衛星與興隆地面站用信標光對準
因此，這些日本作者在他們發表於《自然·光子學》的論文中（「Satellite-to-ground quantum-limited communication using a 50-kg-class microsatellite」, Nature Photonics, 11, 502 - 508），明確承認他們沒有實現量子通信，只是在研究相關的技術。如果不承認，論文也不可能通過審稿發出來。
然而，他們所在的單位「日本信息通信研究機構」（National Institute of Information and Communication Technology，簡稱NICT），卻在自己的主頁上隆重宣布自己實現了微型衛星的量子通信，讓世界各國不明真相的媒體跟著炒作了一波，製造了一出誇大宣傳的鬧劇。關於此事的詳細分析，可以參見我的文章《日本真的成功進行超小型衛星量子通信實驗了嗎？》（https://mp.weixin.qq.com/s/h0X0Tz6Ijw-eWaxqi9q2cg）。
日本的微型通信衛星「蘇格拉底」（來自NICT主頁）
我們來做個比喻：中國和日本都說要造一架飛機，然後中國真的造出一架能飛的飛機，而日本造了機身、機翼以至飛機內飾，但造不了發動機，這飛機飛不起來，只能停在地面當個模型。然後日本的宣傳部門大肆鼓吹：我們造出了一架飛機，而且重量比中國的輕，我們超過中國了！如此「工匠精神」，真是富有日本特色……
順便說一句，中國的隱形戰鬥機殲-20已經服役了，而日本的隱形戰鬥機「心神」不但技術指標遠不如殲-20（既不隱形也不戰鬥），而且在最後一次試飛後沒有後續計劃，眼看要成為爛尾樓。所以上面雖然只是拿飛機來作比喻，卻也算無心插柳柳成蔭。
殲-20
心神
但無論如何，你只要知道了日本也在造量子通信衛星，就至少明白了這是個真實的科研方向，是存在國際競爭的。
其實不止日本，德國也在發展衛星量子通信。最近，德國馬克斯·普朗克研究所的科學家們，在地球同步衛星Alphasat I-XL和西班牙的地面接收站之間，驗證了用光子的「相位編碼」表示0和1來進行量子密鑰分發的技術（以前用的都是光子的「極化」）。
國內關於量子通信的輿論經常給人一個印象，好像世界上只有中國在大力發展這個領域，為全人類當小白鼠，其他國家都在冷眼旁觀。現在，你明白這是個錯覺了吧？
2017年8月，《自然·光子學》撰文介紹了日本、中國和德國在衛星量子通信技術方面的進展，標題就叫做《量子空間競賽愈演愈熱》（「Quantum space race heats up」, Nature Photonics, 11, 456 - 458）。在中國國內吵吵嚷嚷的同時，其他國家並沒有閑著！
三，量子通信衛星就是傳統的激光通信衛星嗎？
看了以上的介紹，你就明白了，完全不是一回事。傳統的激光通信是用激光本身來傳信息，而量子通信衛星是用激光來產生密鑰，然後密文再用其他方式傳輸。在科學意義和技術難度上，顯然是量子通信大得多。
因此，日本作者的文章雖然沒有實現量子通信，也發到了《自然·光子學》這樣很高檔次的期刊上，因為僅僅是相關的研究就很重要。也正是因為同樣的原因，他們才會吹噓自己做到了量子通信。如果量子通信衛星只是傳統的激光通信衛星，NICT為什麼要厚著臉皮來碰瓷蹭熱點？這樣的消息為什麼又會成為國際新聞？
所以，真正有趣的問題是：什麼樣的人，才會相信這種離譜的說法呢？
我有一句忠告，不知當講不當講：
學習量子力學等高深的科學知識很不容易，這可以理解。知識水平低，本身並不丟人。你完全可以too young, too simple, sometimes naive，只要stay hungry, stay foolish就是好的。但相信太過違反常理的說法，認為全國的領導都是傻子，全國的評審專家都是傻子，全世界的科學家都是傻子，就不是無知，而是愚蠢了。
你可以無知，但不要愚蠢！
背景簡介：本文作者為袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，科技與戰略風雲學會會長，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。本文2017年12月4日發表於「中國科普博覽」（https://mp.weixin.qq.com/s/CMHP1dzEbrWNfEycaipAXQ）。
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