日本真的成功進行超小型衛星量子通信實驗了嗎？ | 袁嵐峰

關注風雲之聲提升思維層次

解讀科學，洞察本質

戳穿忽悠，粉碎謠言

導讀

日本信息通信研究機構宣布，成功進行超小型衛星量子通信實驗。然而在原始的論文中，作者們明明白白地寫著：這顆衛星不能做量子通信，因為衛星的一次脈衝發射一億個光子，而量子通信需要發射單光子。論文不是虛假論文，消息卻是虛假消息，如此奇葩世所罕見！

————————————————————————————————————————

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。許多人都知道了，中國的量子通信走在世界最前列，——儘管對於量子通信究竟是什麼，大多數人還是一知半解。

最近，又有一條「日本成功進行超小型衛星量子通信實驗」的新聞刷了屏。典型的報道像這樣：

新華社東京7月11日電（記者 華義）日本信息通信研究機構11日宣布首次用超小型衛星成功進行了量子通信實驗，該機構稱這使超遠距離、高保密性衛星通信網研究向前邁進一大步。

日本信息通信研究機構稱，他們使用一顆名為SOCRATES的超小型衛星進行了量子通信實驗，在衛星和位於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。

SOCRATES衛星只有50千克，搭載一個重6千克的小型量子通信傳輸裝置，在600公里高的軌道上以每秒7千米的速度高速移動，並以每秒1000萬比特（bit）的速率向地面站發送光信號。地面站一邊接收一個個光子一邊將信號復原。

日本信息通信研究機構說，這一研究表明，原本需要大型衛星的量子通信現在也可以用更低成本的小型衛星來實現，預計未來將有更多研究機構和企業投入到量子通信產業中，這有助於太空產業的進一步發展。

相關研究成果已發表在英國《自然·光子學》月刊網路版上。

這則消息究竟意味著什麼？大家議論紛紛。是日本後來居上，趕超了中國的技術？還是中國開創了一個領域，日本在其中做出了改進？以前都是發達國家開創某個領域，中國實現大規模生產，現在反過來了？總之，現在只有中日兩國能用衛星實現量子通信，是不是？……

但是，我要在這裡告訴大家的是：以上這些理解都不對。

我諮詢了一群量子信息研究者，又去讀了原始的論文（Nature Photonics, DOI: 10.1038/NPHOTON.2017.107），結論是：

這顆衛星壓根不能做量子通信！

難道新華社的報道是錯的？是的，新華社的報道確實是錯的。不過用不著怪新華社，這個錯誤的源頭應該是日本信息通信研究機構（National Institute of Information and Communication Technology，簡稱NICT）在自己主頁上發的消息（http://www.nict.go.jp/en/press/2017/07/11-1.html）：

Worlds First Demonstration of Space Quantum Communication Using aMicrosatellite - A big step toward building a truly-secure global communicationnetwork（用微型衛星實現空間量子通信的世界首次演示——通往構築真正安全的全球通信網路的一大步）。

我能確定的是，無論NICT的主頁或任何媒體怎麼說，這群日本研究者都沒有實現量子通信。因為這不是什麼秘密：在《自然·光子學》的論文裡面，就明明白白地寫著他們做不了量子通信！

當然，這是一句充滿了專業術語的話。原文是：

「To track the OGS more reliably with this coarse pointing, the laserbeam divergence was widened, and brighter laser pulses (on the order of 108photons per pulse at the exit of the SOTA, Table 1) than those required in QKDwere used, although the optical signals received at the entrance of the OGSwere photon-limited in the range of ～0.145– 6.696 photons per pulse.」

我來翻譯一下：

「為了用這種粗略的對準技術更可靠地跟蹤光學地面站（Optical Ground Station，簡稱OGS），我們加寬了激光束的發散程度，並且使用了比量子密鑰分發（Quantum Key Distribution，簡稱QKD）所需的更亮的激光脈衝（在小型光學轉發器【Small Optical TrAnsponder，簡稱SOTA】的出口處，每個脈衝包含10的8次方數量級的光子，見表1），雖然在光學地面站的入口處接收到的光學信號處於光子極限，在每個脈衝0.145至6.696個光子的範圍內。」

你大概會納悶：「量子通信」這個詞沒有出現啊？回答是：

「量子密鑰分發」是「量子通信」中唯一已實用化的技術，做不了量子密鑰分發就意味著做不了量子通信。

所以，論文中這句話的要點是什麼呢？使用了比量子通信所需的更亮的激光脈衝，每個脈衝包含10的8次方（即一億）數量級的光子。

那麼，量子通信所需的激光脈衝亮度是什麼？

回答是：

單光子。

為了實現量子通信，每個脈衝應該只包含一個光子！

現在你可以明白，為什麼說每個脈衝包含一億個光子就太亮了，這是一億倍的不達標啊！

為什麼要用這麼多光子？因為從衛星到地面的信號衰減很嚴重，星地之間的對準又是「粗略的」，發射單個光子收不到，只得增加信號源的強度，——但這樣也就完全沒有量子通信可言了。

光子數超過一個，對於量子通信有什麼危害？回答是：一，量子密鑰分發的目的是保密通信。二，如果用單光子源，就可以保證竊聽者偷不到任何信息。三，如果發射的光子數多於一個，原則上竊聽者就可以只放一個光子過去，把其他的光子攔截下來，這樣就可以竊密。

那麼中國的墨子號實現量子通信了嗎？實現了。能夠實現的兩個關鍵點，是中國科學技術大學潘建偉團隊發展出了精確的星地對準技術，以及用「誘騙態協議」實現了等效的單光子源（詳細解釋見本文附錄）。想想看，在飛速運動的衛星與地面之間實現單個光子的實時對準和探測，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。這是多麼驚人的挑戰，又是多麼驚人的成就！

星軌背景下墨子號量子衛星與興隆站用信標光對準

如果你對量子通信的技術細節不求甚解，本文的科學部分到這裡就可以結束了。如果你還想了解更多，本文會在附錄中進一步說明。

明白了日本的這顆衛星根本沒有做量子通信，一個很自然的問題就是：他們實際做到的是什麼？

回答首先在此文的標題里：Satellite-to-ground quantum-limited communication using a50-kg-class microsatellite（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信）。請看，標題里沒有說「量子通信」，他們用的是「量子極限的通信」，——這個說法看起來是他們發明的，沒有其他研究者用。

再來看此文的引言。

首先說了一番現在的激光通信衛星都很重，典型的有幾百公斤，如果能換成小型衛星多麼有好處。好，沒問題。不過這裡談的是常規的激光通信，不是量子通信。

然後說，信息安全非常重要，量子密鑰分發可以實現本質上無法破解的安全通信。好，沒問題。所有的量子通信研究者都是這麼說的。

然後說，最近中國發射了一顆600公斤的量子通信衛星，而如果能用小型的、廉價的衛星實現量子通信，就太好了。好，沒問題，——但是令人大跌眼鏡的是，後文中卻坦率承認這顆衛星實現不了量子通信。實現不了你在引言中說那麼多幹什麼？從來沒見過這麼寫科學論文的！

這是我見過的最奇怪的論文之一！

現在我們可以明白，這篇文章雖然是在《自然·光子學》上發表的，但《自然·光子學》完全沒有為他們實現所謂「量子通信」背書，——他們說的是「量子極限的通信」這個自創的模糊的概念。

這篇文章如果說有科學價值，那是在常規的激光通信上，而不是量子通信。但要論奪眼球的程度，顯然是量子通信高。所以雖然他們在論文中老老實實承認自己做不了量子通信，但在NICT的報道中，卻老實不客氣就把量子通信放在了標題裡面，正文中也不提他們沒實現量子通信了。論文不是虛假論文，消息卻是虛假消息，如此奇葩前所未見！

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。但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、拙劣的碰瓷、科學界少見的荒誕劇。美國總統特朗普的口頭禪，放到這兒再合適不過了：

Fakenews（假新聞）！

特朗普怒懟fake news

順便說一句，這顆衛星的名字是SOCRATES，這個詞其實就是偉大的古希臘哲學家蘇格拉底。有一位著名的巴西足球運動員也叫這個名字，因為他的父親很崇拜蘇格拉底。看起來現在很流行用古代思想家來命名量子衛星？墨子發來賀電。為了湊成這個首字母縮寫詞，日本作者們把衛星的全名寫成Space Optical Communications Research Advanced Technology Satellite（空間光學通信研究先進技術衛星），也是夠拼的。可惜媒體在報道中只給出了英文縮寫，沒有指出這個名字的玄機，真是明珠投暗。

日本的微型通信衛星「蘇格拉底」（來自NICT主頁）

總結一下：星地量子通信的難點在於單光子的發射和探測，「蘇格拉底」衛星做不到這一點，只得一次發一億個光子。在這個基本條件完全不達標的前提下，NICT的作者們對很多其他的次要的環節進行了優化，如編碼方式、多普勒位移，宣稱這些技術能用到將來的星地通信上。當然，這些技術中有一些對量子通信或者對常規的激光通信可能會是有用的。但無論如何，放著最大的困難解決不了，轉頭去改進很多次要的困難，就註定了這項工作的格局。正如愛因斯坦所說：「我不能容忍這樣的科學家：他拿出一塊木板來，尋找最薄的地方，然後在容易鑽透的地方鑽許多洞。」

國際著名的量子信息理論專家、清華大學物理系王向斌教授對這項工作有一個傳神的比喻：相當於有人做了個很小很輕的飛機，唯一的問題就是不能飛。然後他說從小型化指標上看，他的飛機好過別人能飛的飛機。

玩具飛機

我的同事、中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室張強教授告訴我一件軼事。2014年，這篇文章的通信作者（即科學負責人）Masahide Sasaki在合肥舉行的量子通信、測量和計算國際大會上說，衛星光信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信。然而後來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。MasahideSasaki先生也算知錯就改，現在變成衛星量子通信的熱情支持者了，——只是這種支持方式，有點出人意料。

有一個「好消息」是：這場荒誕劇對學術界的損害並不大，因為絕大多數科學工作者都有基本的判斷力，即使NICT這群作者如此努力地刷存在感，大家也不會關注他們的這個工作。好吧，如果這算個好消息的話……

附錄

量子力學是描述微觀世界物理規律的基本理論。它解答了很多基本問題，例如：為什麼原子能夠穩定存在，繞著原子核運動的電子不會落到原子核上去？為什麼原子會組合成分子？為什麼有些物質能導電，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，都離不開量子力學。

量子信息是量子力學與信息科學結合產生的交叉科學，目的是利用量子力學實現經典信息科學中實現不了的功能，例如永遠不會被破解的保密方法（就是本文中提到的量子密鑰分發）、科幻電影中的「傳送術」（是的，傳送術在原理上是可以實現的，它的專業名稱叫做「量子隱形傳態」）。如果你想了解量子隱形傳態的科學原理，可以參見我的文章《科普量子瞬間傳輸技術，包你懂！》。

《星際迷航》中的傳送術

正如經典的信息科學包括通信和計算兩大領域，量子信息也可以分為兩大領域：量子通信和量子計算。

量子通信的內容，包括量子密鑰分發（又稱為「量子保密通信」）和量子隱形傳態（即傳送術）以及「超密編碼」等等。在嚴格的科學意義上，量子密鑰分發並不等於量子通信，而是它的一部分。但是，量子密鑰分發發展得最快，已經接近產業化了，例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。而量子隱形傳態以及整個量子計算領域，都還處於實驗室演示階段，離實用非常遠。因此，媒體上報道的量子通信，在大多數情況下指的就是量子密鑰分發。

要理解量子密鑰分發，首先要明白什麼是「密鑰」。其實這個詞很容易理解，它就是日常語言中的「密碼本」，《紅燈記》、《潛伏》等諜戰片中無數情報人員捨死忘生爭奪的那個東西。說得正規一點，密鑰就是從明文到密文的變換參數。

紅燈記

發送方（以下稱為A）和接收方（以下稱為B）如果都有密鑰，而密鑰滿足三個條件（一，密鑰是一串隨機的字元串；二，密鑰的長度跟明文一樣，甚至更長；三，每傳送一次密文就更換密鑰，即「一次一密」），那麼雙方之間的通信就是「絕對安全」的。這裡「絕對安全」是一個數學用語，它的意思是：敵人即使截獲了密文，也無法破譯出明文，他能做的最多也只是瞎猜而已。

這聽起來好像已經解決了保密通信問題？其實沒有。真正的困難在於，怎麼把密鑰從一方傳到另一方？現實生活當中，需要第三方的信使來傳遞，而信使可能被抓（如《紅燈記》中的李玉和）或者叛變（如《紅岩》中的甫志高），這麻煩就大了。最好是不通過信使，AB雙方直接見面分享密鑰。但是如果雙方可以輕易見面，還要通信幹什麼？！

量子保密通信就是為了解決這個問題而提出的。它做的其實只有一件事情：不經過信使，通信雙方直接共享密鑰。

怪哉，不通過信使怎麼共享密鑰？關鍵在於，這裡的密鑰並不是預先就有的，一方拿在手裡想交給另一方。在初始狀態中，密鑰並不存在！

量子密鑰是在雙方建立通信之後，通過雙方的一系列操作產生出來的。利用量子力學的某些特性（「疊加原理」和「測量結果的隨機性」），可以使雙方同時在各自手裡產生一串隨機數，而且不用看對方的數據，就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。這串隨機數序列就被用作密鑰。

量子密鑰的產生過程，同時就是分發過程，——這就是量子保密通信不需要信使的原因。

雙方都有了密鑰之後，剩下的事情就跟經典的通信完全相同了：A把明文用密鑰編碼成密文，然後用任意的通信方式發給B。「任意的」通信方式的意思就是「怎麼都行」：可以用電話，可以用電報，可以用電子郵件，甚至用平信都行。量子保密通信的特別之處，只是讓雙方不經過信使直接分享密鑰，僅此而已。這就是為什麼它的專業名稱叫做量子密鑰分發。

以上是量子密鑰分發的基本原理。至於實現它的技術方案，科學家提出過若干種，都叫做某某協議（就像計算機科學中的「TCP/IP協議」）。這些協議可以分為兩大類：需要量子糾纏的，和不需要量子糾纏的（即用單光子源的）。

「量子糾纏」是一個被很多媒體傳得神乎其神的概念，幾乎成了心靈感應、神秘主義的代名詞。但實際上，量子糾纏是一個有明確定義的概念，是一種被量子力學預言必然出現也早就觀測到的現象，它的物理原理很清楚，絕大部分神秘感都是被故弄玄虛的媒體強加上去的。

由於篇幅限制，本文不打算詳細解釋量子糾纏。對於當前的目的，對量子糾纏只需要了解兩點：一，量子糾纏是一種多粒子的現象，也就是說需要兩個或更多的粒子；二，對於實驗者來說，粒子越多，操縱的難度越大。

根據這兩點，立刻可以明白，在量子密鑰分發的方案中，用到量子糾纏的比不用量子糾纏的困難，因為操縱兩個粒子比只操縱一個粒子困難。因此，雖然量子密鑰分發可以用量子糾纏來實現，但這並不實用，好比用火箭送快遞。有實用意義的都是不用量子糾纏的協議，即單光子的協議，絕大多數量子密鑰分發的實驗都是這樣做的。

在不用量子糾纏的協議中，如果每次只發一個光子，就可以保證竊聽者無法偷到任何信息。但如果A方發射多於一個光子，原則上一個竊聽者就可以把其中的一個光子攔截下來自己去研究，放其餘的光子過去。這樣他就可以竊取密鑰，這叫做「光子數分離攻擊」。實際上，在常規的光通信中，竊聽也是這樣進行的，即從大量的光子中竊取一部分。

在所有的量子密鑰分發協議中，目前最先進的是「誘騙態協議」，王向斌教授就是它的提出者之一。實際的激光光源都不是單光子源，發射的光子數有一定的分布。當發射許多光脈衝時，相當於發射一些單光子脈衝和一些多光子脈衝。在平均光子數小於1時，就可以通過誘騙態方法，隨機切換強度，然後按指定演算法，相當於只用其中的單光子脈衝。對於量子密鑰分發的安全性而言，這相當於把實際的不完美的光源變成了完美的單光子源，克服了應用上的一大障礙。

墨子號用的是平均光子數約為0.5的弱光光源，使用了誘騙態協議，因此其安全性等價於單光子源，這是真正的量子通信。而蘇格拉底衛星發的是平均光子數高達一億的強光，也沒有用誘騙態協議。現在你可以理解這是什麼樣的概念，這破綻得有多大，——簡直是渾身都是破綻，不知從何說起！

最後，澄清一個容易產生的誤解。墨子號除了量子密鑰分發之外，也做了量子糾纏分發的實驗。很多人把它們混為一談，以為量子通信必然離不開量子糾纏，但實際上這是兩個不同的實驗。如前所述，量子密鑰分發並不需要量子糾纏。墨子號是既能做量子密鑰分發，也能做量子糾纏。而蘇格拉底衛星既做不了量子密鑰分發，也做不了量子糾纏。對前者它至少嘗試著做了一些相關的努力，對後者卻完全不沾邊了。這兩顆量子通信衛星，真是沒多少可比性……

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）。

本文應《自然雜誌》（Chinese Journal of Nature）副主編方守獅教授之邀，2017年8月發表於該刊第39卷第4期的「科學聚焦」（Science Focus）欄目（第299-303頁，doi:10.3969/j.i ssn.0253-9608.2017.04.009），英文標題為「Did Japan indeed perform quantum communication experiment using amicrosatellite, as media claimed?」。《自然雜誌》是由上海市教育委員會主管、上海大學主辦的，涵蓋自然科學各領域的學術性和可讀性兼顧的高級科普雜誌，創刊於1978年5月，雙月刊。

致謝：感謝中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室陳宇翱教授、張強教授和清華大學物理系王向斌教授、交叉信息研究院尹璋琦博士在科學內容方面的指教。

責任編輯：郭尖尖

歡迎關注風雲之聲

知乎專欄：

http://zhuanlan.zhihu.com/fengyun

一點資訊：

http://www.yidianzixun.com/home?page=channel&id=m107089

今日頭條：

http://toutiao.com/m6256575842