日本的量子通信衛(wèi)星：不能做量子通訊
?日本SOCRATES衛(wèi)星量子通信傳輸裝置。來源：NICT
撰文 | 袁嵐峰
責(zé)編 | 陳曉雪
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2016年8月16日，中國發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，引爆了公眾對量子科學(xué)的興趣。許多人都知道了，中國的量子通信走在世界最前列——盡管對于量子通信究竟是什么，大多數(shù)人還是一知半解。
最近，一條“日本成功進(jìn)行超小型衛(wèi)星量子通信實(shí)驗(yàn)”的新聞刷了屏。典型的報(bào)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(jī)構(gòu)11日宣布首次用超小型衛(wèi)星成功進(jìn)行了量子通信實(shí)驗(yàn)，該機(jī)構(gòu)稱這使超遠(yuǎn)距離、高保密性衛(wèi)星通信網(wǎng)研究向前邁進(jìn)一大步。
日本信息通信研究機(jī)構(gòu)稱，他們使用一顆名為SOCRATES的超小型衛(wèi)星進(jìn)行了量子通信實(shí)驗(yàn)，在衛(wèi)星和位于東京都小金井市的一個(gè)地面站之間成功進(jìn)行了光子單位的信息傳送。
SOCRATES衛(wèi)星只有50千克，搭載一個(gè)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，并以每秒1000萬比特（bit）的速率向地面站發(fā)送光信號。地面站一邊接收一個(gè)個(gè)光子一邊將信號復(fù)原。
日本信息通信研究機(jī)構(gòu)說，這一研究表明，原本需要大型衛(wèi)星的量子通信現(xiàn)在也可以用更低成本的小型衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)未來將有更多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)投入到量子通信產(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)表在英國《自然·光子學(xué)》月刊網(wǎng)絡(luò)版上。
這則消息究竟意味著什么？大家議論紛紛。是日本趕超了中國的技術(shù)？還是中國開創(chuàng)了一個(gè)領(lǐng)域，日本在其中做出了改進(jìn)？是不是現(xiàn)在只有中日兩國能用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信？
我要在這里可以肯定地回答：以上這些理解都不對。
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/NPHOTON.2017.107），結(jié)論是：
這顆衛(wèi)星壓根不能做量子通信！
你也許會驚詫莫名：難道新華社的報(bào)道是錯(cuò)的？是的，新華社的報(bào)道確實(shí)是錯(cuò)的。
不過也不能完全怪新華社，這個(gè)錯(cuò)誤的源頭應(yīng)該是日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（National Institute ofInformation and Communication Technology，簡稱NICT），7月11日，它在自己主頁上發(fā)的消息（http://www.nict.go.jp/en/press/2017/07/11-1.html）：World's First Demonstration of Space Quantum Communication Using a Microsatellite - A bigstep toward building a truly-secure global communication network（用微型衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)空間量子通信的世界首次演示——通往構(gòu)筑真正安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)的一大步）。
我能確定的是，無論NICT的主頁或任何媒體怎么說，這群日本研究者都沒有實(shí)現(xiàn)量子通信。因?yàn)檫@不是什么秘密：在《自然·光子學(xué)》的論文里面，就明明白白地寫著他們做不了量子通信！
當(dāng)然，這是一句充滿了專業(yè)術(shù)語的話，普通讀者和記者是看不懂的。原文是：
“To track the OGS morereliably with this coarse pointing, the laser beam divergence was widened, andbrighter laser pulses (on the order of 108 photons per pulse at theexit of the SOTA, Table 1) than those required in QKD were used, although theoptical signals received at the entrance of the OGS were photon-limited in therange of ～ 0.145– 6.696 photons perpulse.”
大意是用這種粗略的對準(zhǔn)技術(shù)更可靠地跟蹤光學(xué)地面站（Optical Ground Station，簡稱OGS），我們加寬了激光束的發(fā)散程度，并且使用了比量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，簡稱QKD）所需的更亮的激光脈沖（在小型光學(xué)轉(zhuǎn)發(fā)器【Small Optical TrAnsponder，簡稱SOTA】的出口處，每個(gè)脈沖包含10的8次方數(shù)量級的光子），雖然在光學(xué)地面站的入口處接收到的光學(xué)信號處于光子極限，在每個(gè)脈沖0.145至6.696個(gè)光子的范圍內(nèi)。
你大概會納悶：“量子通信”這個(gè)詞沒有出現(xiàn)啊？吶，我來告訴你：
“量子密鑰分發(fā)”（QKD）就是媒體上經(jīng)常說的“量子通信”的專業(yè)名稱。
所以，論文中這句話的要點(diǎn)是什么？使用了比量子通信所需的更亮的激光脈沖，每個(gè)脈沖包含10的8次方（即一億）數(shù)量級的光子。
你又要問了：量子通信所需的激光脈沖亮度是什么？
回答是：單光子。
為了實(shí)現(xiàn)量子通信，每個(gè)脈沖應(yīng)該只包含一個(gè)光子！
現(xiàn)在你可以明白，為什么說每個(gè)脈沖包含一億個(gè)光子就太亮了。本來一次應(yīng)該只來一個(gè)，你一下子扔來一億個(gè)……
那么中國的“墨子號”實(shí)現(xiàn)單光子發(fā)射了嗎？實(shí)現(xiàn)量子通信了嗎？當(dāng)然實(shí)現(xiàn)了。能夠?qū)崿F(xiàn)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)發(fā)展出了單光子源和精確的對準(zhǔn)技術(shù)。想想看，在飛速運(yùn)動的衛(wèi)星與地面之間實(shí)現(xiàn)單個(gè)光子的實(shí)時(shí)對準(zhǔn)和探測，相當(dāng)于在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進(jìn)一列全速行駛的高鐵上的一個(gè)礦泉水瓶里。這是多么驚人的挑戰(zhàn)，又是多么驚人的成就！而這群日本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探測到——但這樣也就完全沒有量子通信可言了。
如果你對量子通信的技術(shù)細(xì)節(jié)不求甚解，本文的科學(xué)部分到這里就可以結(jié)束。如果你還想知道量子通信究竟是什么，為什么需要單光子，本文會在附錄中進(jìn)一步說明。
明白了日本的這顆衛(wèi)星根本沒有做量子通信，一個(gè)很自然的問題就是：他們實(shí)際做到的是什么？
回答首先在此文的標(biāo)題里：“Satellite-to-groundquantum-limited communication using a 50-kg-class microsatellite”（用一顆50公斤級別的微型衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地之間量子極限的通信）。他們用的是“量子極限的通信”。論文摘要中說，量子極限的通信可以提高激光通信的性能，也是能夠從根本上防止黑客攻擊、保證安全的量子密鑰分發(fā)的先決條件。這篇文章報(bào)告的是，微型衛(wèi)星與地面站之間量子極限的通信實(shí)驗(yàn)。從文章開始到結(jié)束，論文沒有對“量子極限的通信”給予一個(gè)確切的定義，顯然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)并非是星地之間的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。
再看此文的引言。首先說了一番現(xiàn)在的激光通信衛(wèi)星都很重，典型的有幾百公斤，如果能換成小型衛(wèi)星多么有好處。好，沒問題，不過這里談的是常規(guī)的激光通信，不是量子通信。然后說，信息安全非常重要，量子密鑰分發(fā)可以實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上無法破解的安全通信。好，沒問題。然后說，最近中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)射了一顆600公斤的量子通信衛(wèi)星，如果能用小型的、廉價(jià)的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信，就太好了。好，沒問題。令人大跌眼鏡的是，后文坦率承認(rèn)這顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)不了量子通信。實(shí)現(xiàn)不了你在引言中吹那么多干什么？從來沒見過這么寫科學(xué)論文的！
現(xiàn)在我們可以明白，這篇文章雖然是在《自然·光子學(xué)》上發(fā)表的，但《自然·光子學(xué)》完全沒有為他們實(shí)現(xiàn)所謂“量子通信”背書——論文作者說的是“量子極限的通信”至少是個(gè)模糊的概念。
因此，這篇文章的科學(xué)價(jià)值主要在常規(guī)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，雖然論文作者在論文中老老實(shí)實(shí)承認(rèn)自己做不了量子通信，但NICT的報(bào)道卻不客氣就把量子通信放在了標(biāo)題里面，正文中也不提他們沒實(shí)現(xiàn)量子通信。
是這群作者自己想出名想瘋了？還是NICT的領(lǐng)導(dǎo)想搞個(gè)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(shí)：這是一場虛假宣傳、滑稽的蹭熱點(diǎn)、科學(xué)界少見的荒誕劇。論文不是虛假論文，消息卻是虛假消息。美國總統(tǒng)特朗普的口頭禪，放到這兒再合適不過了：
Fake news?。ㄌ摷傩侣劊。?/p>
總結(jié)一下：星地量子通信的難點(diǎn)在于單光子的發(fā)射和探測，這顆微型衛(wèi)星做不到這一點(diǎn)，只得一次發(fā)一億個(gè)光子。在這個(gè)基本條件完全不達(dá)標(biāo)的前提下，他們對很多其他的次要的環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，如編碼方式、多普勒位移，號稱這些技術(shù)能用到將來的星地通信上。當(dāng)然，這些技術(shù)中有一些對量子通信可能會是有用的，至少對常規(guī)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(zhuǎn)頭去改進(jìn)很多次要的困難，就注定了這項(xiàng)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：他拿出一塊木板來，尋找最薄的地方，然后在容易鉆透的地方鉆許多洞。”
著名量子信息理論專家、清華大學(xué)物理系王向斌教授對這項(xiàng)工作有一個(gè)傳神的比喻：相當(dāng)于有人做了個(gè)很小很輕的飛機(jī)，唯一的問題就是不能飛，然后他說從小型化指標(biāo)上看，他的飛機(jī)好過別人能飛的飛機(jī)。
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(shí)驗(yàn)室張強(qiáng)教授告訴我一件軼事。2014年，這篇文章的通信作者（即科學(xué)負(fù)責(zé)人）Masahide Sasaki在合肥舉行的量子通信、測量和計(jì)算國際大會上說，衛(wèi)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(wèi)星不能做量子通信。然而中國科學(xué)家的實(shí)踐證明，他這話犯了雙重的錯(cuò)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。當(dāng)然，這位老兄現(xiàn)在就變成衛(wèi)星量子通信的熱情支持者了。只是這種支持方式，有點(diǎn)出人意料。
一個(gè)“好消息”是：這場荒誕劇對學(xué)術(shù)界的損害并不大，因?yàn)榻^大多數(shù)科學(xué)工作者都有基本的判斷力。好吧，如果這算個(gè)好消息的話……
附錄：
量子力學(xué)是描述微觀世界物理規(guī)律的基本理論。它解答了很多基本問題，例如：為什么原子能夠穩(wěn)定存在，繞著原子核運(yùn)動的電子不會落到原子核上去？為什么原子會組合成分子？為什么有些物質(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，都離不開量子力學(xué)。
量子信息是量子力學(xué)與信息科學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的交叉科學(xué)，目的是利用量子力學(xué)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息科學(xué)中實(shí)現(xiàn)不了的功能，例如永遠(yuǎn)不會被破解的保密方法（就是本文中解釋的量子密鑰分發(fā)）、科幻電影中的“傳送術(shù)”（是的，傳送術(shù)原則上是可以實(shí)現(xiàn)的，它的專業(yè)名稱叫做“量子隱形傳態(tài)”）。
正如經(jīng)典的信息科學(xué)包括通信和計(jì)算兩大領(lǐng)域，量子信息也可以分為兩大領(lǐng)域：量子通信和量子計(jì)算。
量子通信的內(nèi)容，包括量子密鑰分發(fā)（又稱為“量子保密通信”）和量子隱形傳態(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，量子密鑰分發(fā)并不等于量子通信，而是它的一部分。但是，量子密鑰分發(fā)發(fā)展得最快，已經(jīng)接近產(chǎn)業(yè)化了，例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)。而量子隱形傳態(tài)以及整個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域，都還處于實(shí)驗(yàn)室演示階段，離實(shí)用非常遠(yuǎn)。因此，媒體上報(bào)道的量子通信，在大多數(shù)情況下就特指量子密鑰分發(fā)。
要理解量子密鑰分發(fā)，首先要明白什么是“密鑰”。其實(shí)這個(gè)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》等諜戰(zhàn)片中無數(shù)情報(bào)人員舍生忘死爭奪的那個(gè)東西。說得正規(guī)一點(diǎn)，密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）如果都有密鑰，他們之間的通信就是絕對安全的。在數(shù)學(xué)上，可以證明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(jīng)解決了保密通信問題？其實(shí)沒有。真正的困難在于，怎么把密鑰從一方傳到另一方？現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，需要第三方的信使來傳遞，而這個(gè)信使可能被抓或者叛變，這可就麻煩大了。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，還要通信干什么？！
量子保密通信就是為了解決這個(gè)問題而提出的。它做的其實(shí)就是一件事情：不經(jīng)過信使，通信雙方直接共享密鑰。
為什么不通過信使就能共享密鑰了？關(guān)鍵在于，這里的密鑰并不是預(yù)先產(chǎn)生的，一方拿在手里想交給另一方。在初始狀態(tài)中，密鑰并不存在！量子密鑰是在雙方建立通信之后，通過雙方的一系列操作產(chǎn)生出來的。利用量子力學(xué)的某些特性，可以使得雙方同時(shí)在各自手里產(chǎn)生一串隨機(jī)數(shù)，而且不用看對方的數(shù)據(jù)，就能確定對方的隨機(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)序列就是密鑰。
量子密鑰的產(chǎn)生過程，同時(shí)就是分發(fā)過程，這就是量子保密通信不需要信使的原因。
雙方都有了密鑰之后，剩下的事情就是A把明文用密鑰編碼成密文，然后用任意的通信方式發(fā)給B。真的是任意的通信方式：電話，電報(bào)，電子郵件，甚至平信都行。也就是說，到了密文傳輸這一步，量子通信就和經(jīng)典通信完全相同了。量子通信所做的，只是讓雙方不經(jīng)過信使直接分享密鑰，僅此而已。這就是為什么，它的專業(yè)名稱叫做量子密鑰分發(fā)！
科學(xué)家提出了若干種量子密鑰分發(fā)的技術(shù)方案，都叫做某某協(xié)議（就像計(jì)算機(jī)科學(xué)中的“TCP/IP協(xié)議”）。在大多數(shù)協(xié)議中，都需要發(fā)送方每次只發(fā)送一個(gè)光子。為什么呢？因?yàn)槿绻嘤谝粋€(gè)光子，原則上一個(gè)竊聽者就可以把其中的一部分光子攔截下來自己去研究，只放一個(gè)光子過去。這樣他就可以竊取密鑰，這叫做“光子數(shù)分離攻擊”。實(shí)際上，在經(jīng)典的光通信中，竊聽也是這樣進(jìn)行的，即從大量的光子中竊取一部分。而如果每次只發(fā)一個(gè)光子，就可以保證竊聽者無法偷到任何信息。
在所有的量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，目前最先進(jìn)的是“誘騙態(tài)協(xié)議”，王向斌教授就是它的提出者之一。實(shí)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。通過誘騙態(tài)方法，可以只用其中的單光子脈沖。對于量子密鑰分發(fā)的安全性而言，相當(dāng)于把實(shí)際的不完美的光源變成了單光子源，克服了應(yīng)用上的一大障礙。
“墨子號”用的是弱光光源，還使用了誘騙態(tài)協(xié)議，因此其安全性等價(jià)于單光子源，這是真正的量子通信。而日本的微型衛(wèi)星一次發(fā)一億個(gè)光子，也沒有用誘騙態(tài)協(xié)議，現(xiàn)在你可以理解這是什么樣的概念，這破綻得有多大。簡直是渾身都是破綻，不知從何說起！
致謝：感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室陳宇翱教授、張強(qiáng)教授和清華大學(xué)物理系王向斌教授、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)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(shí)驗(yàn)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。
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