[科普中國]-量子通信就是傳統(tǒng)的激光通信？

導(dǎo)讀：量子通信衛(wèi)星就是傳統(tǒng)的激光通信衛(wèi)星？傳統(tǒng)的激光通信是用激光本身來傳信息，而量子通信衛(wèi)星是用激光來產(chǎn)生密鑰，加密后再用其他方式傳輸密文，完全不是一回事。無知并不丟人，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(fā)射了世界第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，也點(diǎn)燃了群眾對量子科技的興趣。準(zhǔn)確地說，相關(guān)的學(xué)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(rèn)真去讀，就可以對這個學(xué)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(wèi)星發(fā)射

但顯然，世界上總是有許多人一點(diǎn)辛苦都不愿意下，又喜歡對自己完全不懂的問題指手畫腳。于是乎，經(jīng)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(rèn)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，怎么看待此文。你說我能怎么看待？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(yù)，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(jié)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(yù)，幾乎已經(jīng)達(dá)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(diǎn)。之所以如此，是因為我以前已經(jīng)解答過若干種對量子通信的質(zhì)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，為什么是錯的？》，http://mp.weixin.qq.com/s/tySdgdlj7iG1pOvU0fOkKw），但沒想到過這種質(zhì)疑。沒有想到，不是因為這種質(zhì)疑太有技術(shù)含量，——正相反，是因為它太沒有技術(shù)含量。作者“勇敢”地宣稱，墨子號只是一個傳統(tǒng)的激光通信衛(wèi)星！

是在下輸了

原文是：

“這個衛(wèi)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。這叫什么量子通信？實際上就是一個傳統(tǒng)的激光通信衛(wèi)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(tǒng)的加密手段而已?！?/p>

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(xué)是門有趣的學(xué)問。下面我來解釋一下，為什么這是個愚蠢得突破天際的說法。

一、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星實際做的是什么？

墨子號有三大科學(xué)任務(wù)，其中一般被媒體稱為“量子通信”的，是“量子密鑰分發(fā)”這個任務(wù)。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(zhàn)片中的密碼本，發(fā)送方用它加密，接收方用它解密。

密鑰分發(fā)，就是讓通信雙方獲得同一套密碼本。傳統(tǒng)上，這是李玉和、余則成等情報人員干的事。顯然這是個風(fēng)險很大的任務(wù)，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(fā)，就是不通過信使，利用量子力學(xué)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(tǒng)方法能夠做到的。

如果你想知道量子密鑰分發(fā)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(guān)內(nèi)容（http://mp.weixin.qq.com/s/kKLd5_YbjI765qBvuSFB4A）?；具^程是，通信方發(fā)出一系列單個光子，接收方測量這些光子的狀態(tài)，最終雙方各自獲得了一個由隨機(jī)的0和1組成的數(shù)列（例如0110010011……），而且不用看對方的數(shù)據(jù)，就能保證對方的數(shù)列跟自己的完全相同。這個數(shù)列，就是量子密鑰。

量子密鑰分發(fā)

你也許會問，既然量子力學(xué)能讓雙方分享信息，那何不直接分享要傳輸?shù)男畔?？回答是，這套流程產(chǎn)生的只能是隨機(jī)數(shù)。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(jī)數(shù)序列本身不能傳輸信息，但作為密鑰，卻正合適不過！為什么呢？因為用這樣的一串隨機(jī)數(shù)密鑰加密以后，密文在數(shù)學(xué)意義上是絕對不可破譯的。這是信息論的創(chuàng)始人克勞德·香農(nóng)（Claude E. Shannon）證明的一個定理。

香農(nóng)

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(yīng)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(guān)聯(lián)。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，什么都得不到。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(shù)學(xué)問題。而許多傳統(tǒng)的密碼術(shù)，就是可以被數(shù)學(xué)破解的，這是量子密碼優(yōu)于它們的地方。

因此，用量子密鑰給明文加密后，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(tǒng)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——什么都行。

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(fā)，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(fā)的研究。

墨子號具體做到的，是星地之間的量子密鑰分發(fā)，即讓衛(wèi)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(wèi)星過境時，與河北興隆地面光學(xué)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(shù)量級（萬億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)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(dá)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(fā)射了一顆名叫“蘇格拉底”（SOCRATES）的微型衛(wèi)星，也研究了相關(guān)的技術(shù)。但是，這顆衛(wèi)星并沒有實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)。

這里的原因是，量子密鑰分發(fā)需要每個脈沖只包含一個光子。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。而如果脈沖不是單光子的，竊聽者就可以從每個脈沖中偷一個光子回去研究，這樣就可以竊密了，這叫做“光子數(shù)分離攻擊”。

光子數(shù)分離攻擊

中國墨子號發(fā)的確實是單光子，所以實現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)，如上所述，平均成碼率可達(dá)1.1 kbps。而日本的蘇格拉底衛(wèi)星就有意思了，每個光脈沖包含一億個光子。你明白了吧，這是一億倍的不達(dá)標(biāo)?。?/p>

為什么日本研究組一次要發(fā)這么多光子呢？這是由于他們在衛(wèi)星和地面站之間的對準(zhǔn)精度不夠，為了讓探測器收到信號，只得發(fā)一個很強(qiáng)的光脈沖。而墨子號的對準(zhǔn)精度非常高，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(wèi)星與興隆地面站用信標(biāo)光對準(zhǔn)

因此，這些日本作者在他們發(fā)表于《自然·光子學(xué)》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(rèn)他們沒有實現(xiàn)量子通信，只是在研究相關(guān)的技術(shù)。如果不承認(rèn)，論文也不可能通過審稿發(fā)出來。

然而，他們所在的單位“日本信息通信研究機(jī)構(gòu)”（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(xiàn)了微型衛(wèi)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，制造了一出夸大宣傳的鬧劇。關(guān)于此事的詳細(xì)分析，可以參見我的文章《日本真的成功進(jìn)行超小型衛(wèi)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(wèi)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(jī)，然后中國真的造出一架能飛的飛機(jī)，而日本造了機(jī)身、機(jī)翼以至飛機(jī)內(nèi)飾，但造不了發(fā)動機(jī)，這飛機(jī)飛不起來，只能停在地面當(dāng)個模型。然后日本的宣傳部門大肆鼓吹：我們造出了一架飛機(jī)，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(zhàn)斗機(jī)殲-20已經(jīng)服役了，而日本的隱形戰(zhàn)斗機(jī)“心神”不但技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)不如殲-20（既不隱形也不戰(zhàn)斗），而且在最后一次試飛后沒有后續(xù)計劃，眼看要成為爛尾樓。所以上面雖然只是拿飛機(jī)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(wèi)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(fā)展衛(wèi)星量子通信。最近，德國馬克斯·普朗克研究所的科學(xué)家們，在地球同步衛(wèi)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(jìn)行量子密鑰分發(fā)的技術(shù)（以前用的都是光子的“極化”）。

國內(nèi)關(guān)于量子通信的輿論經(jīng)常給人一個印象，好像世界上只有中國在大力發(fā)展這個領(lǐng)域，為全人類當(dāng)小白鼠，其他國家都在冷眼旁觀?，F(xiàn)在，你明白這是個錯覺了吧？

2017年8月，《自然·光子學(xué)》撰文介紹了日本、中國和德國在衛(wèi)星量子通信技術(shù)方面的進(jìn)展，標(biāo)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(nèi)吵吵嚷嚷的同時，其他國家并沒有閑著！

三、量子通信衛(wèi)星就是傳統(tǒng)的激光通信衛(wèi)星嗎？

看了以上的介紹，你就明白了，完全不是一回事。傳統(tǒng)的激光通信是用激光本身來傳信息，而量子通信衛(wèi)星是用激光來產(chǎn)生密鑰，然后密文再用其他方式傳輸。在科學(xué)意義和技術(shù)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(xiàn)量子通信，也發(fā)到了《自然·光子學(xué)》這樣很高檔次的期刊上，因為僅僅是相關(guān)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(wèi)星只是傳統(tǒng)的激光通信衛(wèi)星，NICT為什么要厚著臉皮來碰瓷蹭熱點(diǎn)？這樣的消息為什么又會成為國際新聞？

所以，真正有趣的問題是：什么樣的人，才會相信這種離譜的說法呢？

我有一句忠告，不知當(dāng)講不當(dāng)講：

學(xué)習(xí)量子力學(xué)等高深的科學(xué)知識很不容易，這可以理解。知識水平低，本身并不丟人。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(rèn)為全國的領(lǐng)導(dǎo)都是傻子，全國的評審專家都是傻子，全世界的科學(xué)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！

作者簡介：袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(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（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

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