日本真的成功进行超小型卫星量子通信实验了吗？ | 袁岚峰
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导读日本信息通信研究机构宣布，成功进行超小型卫星量子通信实验。然而在原始的论文中，作者们明明白白地写着：这颗卫星不能做量子通信，因为卫星的一次脉冲发射一亿个光子，而量子通信需要发射单光子。论文不是虚假论文，消息却是虚假消息，如此奇葩世所罕见！
2016年8月16日，中国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，引爆了公众对量子科学的兴趣。许多人都知道了，中国的量子通信走在世界最前列，——尽管对于量子通信究竟是什么，大多数人还是一知半解。
最近，又有一条“日本成功进行超小型卫星量子通信实验”的新闻刷了屏。典型的报道像这样：
新华社东京7月11日电（记者 华义）日本信息通信研究机构11日宣布首次用超小型卫星成功进行了量子通信实验，该机构称这使超远距离、高保密性卫星通信网研究向前迈进一大步。
日本信息通信研究机构称，他们使用一颗名为SOCRATES的超小型卫星进行了量子通信实验，在卫星和位于东京都小金井市的一个地面站之间成功进行了光子单位的信息传送。
SOCRATES卫星只有50千克，搭载一个重6千克的小型量子通信传输装置，在600公里高的轨道上以每秒7千米的速度高速移动，并以每秒1000万比特（bit）的速率向地面站发送光信号。地面站一边接收一个个光子一边将信号复原。
日本信息通信研究机构说，这一研究表明，原本需要大型卫星的量子通信现在也可以用更低成本的小型卫星来实现，预计未来将有更多研究机构和企业投入到量子通信产业中，这有助于太空产业的进一步发展。
相关研究成果已发表在英国《自然·光子学》月刊网络版上。
这则消息究竟意味着什么？大家议论纷纷。是日本后来居上，赶超了中国的技术？还是中国开创了一个领域，日本在其中做出了改进？以前都是发达国家开创某个领域，中国实现大规模生产，现在反过来了？总之，现在只有中日两国能用卫星实现量子通信，是不是？……
但是，我要在这里告诉大家的是：以上这些理解都不对。
我咨询了一群量子信息研究者，又去读了原始的论文（Nature Photonics, DOI: 10.1038/NPHOTON.2017.107），结论是：
这颗卫星压根不能做量子通信！
难道新华社的报道是错的？是的，新华社的报道确实是错的。不过用不着怪新华社，这个错误的源头应该是日本信息通信研究机构（National Institute of Information and Communication Technology，简称NICT）在自己主页上发的消息（http://www.nict.go.jp/en/press/2017/07/11-1.html）：
World's First Demonstration of Space Quantum Communication Using aMicrosatellite - A big step toward building a truly-secure global communicationnetwork（用微型卫星实现空间量子通信的世界首次演示——通往构筑真正安全的全球通信网络的一大步）。
我能确定的是，无论NICT的主页或任何媒体怎么说，这群日本研究者都没有实现量子通信。因为这不是什么秘密：在《自然·光子学》的论文里面，就明明白白地写着他们做不了量子通信！
当然，这是一句充满了专业术语的话。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.”
我来翻译一下：
“为了用这种粗略的对准技术更可靠地跟踪光学地面站（Optical Ground Station，简称OGS），我们加宽了激光束的发散程度，并且使用了比量子密钥分发（Quantum Key Distribution，简称QKD）所需的更亮的激光脉冲（在小型光学转发器【Small Optical TrAnsponder，简称SOTA】的出口处，每个脉冲包含10的8次方数量级的光子，见表1），虽然在光学地面站的入口处接收到的光学信号处于光子极限，在每个脉冲0.145至6.696个光子的范围内。”
你大概会纳闷：“量子通信”这个词没有出现啊？回答是：
“量子密钥分发”是“量子通信”中唯一已实用化的技术，做不了量子密钥分发就意味着做不了量子通信。
所以，论文中这句话的要点是什么呢？使用了比量子通信所需的更亮的激光脉冲，每个脉冲包含10的8次方（即一亿）数量级的光子。
那么，量子通信所需的激光脉冲亮度是什么？
回答是：
单光子。
为了实现量子通信，每个脉冲应该只包含一个光子！
现在你可以明白，为什么说每个脉冲包含一亿个光子就太亮了，这是一亿倍的不达标啊！
为什么要用这么多光子？因为从卫星到地面的信号衰减很严重，星地之间的对准又是“粗略的”，发射单个光子收不到，只得增加信号源的强度，——但这样也就完全没有量子通信可言了。
光子数超过一个，对于量子通信有什么危害？回答是：一，量子密钥分发的目的是保密通信。二，如果用单光子源，就可以保证窃听者偷不到任何信息。三，如果发射的光子数多于一个，原则上窃听者就可以只放一个光子过去，把其他的光子拦截下来，这样就可以窃密。
那么中国的墨子号实现量子通信了吗？实现了。能够实现的两个关键点，是中国科学技术大学潘建伟团队发展出了精确的星地对准技术，以及用“诱骗态协议”实现了等效的单光子源（详细解释见本文附录）。想想看，在飞速运动的卫星与地面之间实现单个光子的实时对准和探测，相当于在五十公里以外把一枚一角硬币扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里。这是多么惊人的挑战，又是多么惊人的成就！
星轨背景下墨子号量子卫星与兴隆站用信标光对准
如果你对量子通信的技术细节不求甚解，本文的科学部分到这里就可以结束了。如果你还想了解更多，本文会在附录中进一步说明。
明白了日本的这颗卫星根本没有做量子通信，一个很自然的问题就是：他们实际做到的是什么？
回答首先在此文的标题里：Satellite-to-ground quantum-limited communication using a50-kg-class microsatellite（用一颗50公斤级别的微型卫星实现星地之间量子极限的通信）。请看，标题里没有说“量子通信”，他们用的是“量子极限的通信”，——这个说法看起来是他们发明的，没有其他研究者用。
再来看此文的引言。
首先说了一番现在的激光通信卫星都很重，典型的有几百公斤，如果能换成小型卫星多么有好处。好，没问题。不过这里谈的是常规的激光通信，不是量子通信。
然后说，信息安全非常重要，量子密钥分发可以实现本质上无法破解的安全通信。好，没问题。所有的量子通信研究者都是这么说的。
然后说，最近中国发射了一颗600公斤的量子通信卫星，而如果能用小型的、廉价的卫星实现量子通信，就太好了。好，没问题，——但是令人大跌眼镜的是，后文中却坦率承认这颗卫星实现不了量子通信。实现不了你在引言中说那么多干什么？从来没见过这么写科学论文的！
这是我见过的最奇怪的论文之一！
现在我们可以明白，这篇文章虽然是在《自然·光子学》上发表的，但《自然·光子学》完全没有为他们实现所谓“量子通信”背书，——他们说的是“量子极限的通信”这个自创的模糊的概念。
这篇文章如果说有科学价值，那是在常规的激光通信上，而不是量子通信。但要论夺眼球的程度，显然是量子通信高。所以虽然他们在论文中老老实实承认自己做不了量子通信，但在NICT的报道中，却老实不客气就把量子通信放在了标题里面，正文中也不提他们没实现量子通信了。论文不是虚假论文，消息却是虚假消息，如此奇葩前所未见！
是这群作者自己想出名想疯了？还是NICT的领导想搞个大新闻？不得而知。但无论是谁主导的这波虚假宣传，都改变不了事实：这是一场虚假宣传、滑稽的蹭热点、拙劣的碰瓷、科学界少见的荒诞剧。美国总统特朗普的口头禅，放到这儿再合适不过了：
Fakenews（假新闻）！
特朗普怒怼fake news
顺便说一句，这颗卫星的名字是SOCRATES，这个词其实就是伟大的古希腊哲学家苏格拉底。有一位著名的巴西足球运动员也叫这个名字，因为他的父亲很崇拜苏格拉底。看起来现在很流行用古代思想家来命名量子卫星？墨子发来贺电。为了凑成这个首字母缩写词，日本作者们把卫星的全名写成Space Optical Communications Research Advanced Technology Satellite（空间光学通信研究先进技术卫星），也是够拼的。可惜媒体在报道中只给出了英文缩写，没有指出这个名字的玄机，真是明珠投暗。
日本的微型通信卫星“苏格拉底”（来自NICT主页）
总结一下：星地量子通信的难点在于单光子的发射和探测，“苏格拉底”卫星做不到这一点，只得一次发一亿个光子。在这个基本条件完全不达标的前提下，NICT的作者们对很多其他的次要的环节进行了优化，如编码方式、多普勒位移，宣称这些技术能用到将来的星地通信上。当然，这些技术中有一些对量子通信或者对常规的激光通信可能会是有用的。但无论如何，放着最大的困难解决不了，转头去改进很多次要的困难，就注定了这项工作的格局。正如爱因斯坦所说：“我不能容忍这样的科学家：他拿出一块木板来，寻找最薄的地方，然后在容易钻透的地方钻许多洞。”
国际著名的量子信息理论专家、清华大学物理系王向斌教授对这项工作有一个传神的比喻：相当于有人做了个很小很轻的飞机，唯一的问题就是不能飞。然后他说从小型化指标上看，他的飞机好过别人能飞的飞机。
玩具飞机
我的同事、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室张强教授告诉我一件轶事。2014年，这篇文章的通信作者（即科学负责人）Masahide Sasaki在合肥举行的量子通信、测量和计算国际大会上说，卫星光信号在大气中传播的信道衰减最少有60分贝，而60分贝不能成码，所以卫星不能做量子通信。然而后来中国科学家的实践证明，他这话犯了双重的错误。第一，墨子号卫星把衰减控制到了40分贝。第二，60分贝也能成码。MasahideSasaki先生也算知错就改，现在变成卫星量子通信的热情支持者了，——只是这种支持方式，有点出人意料。
有一个“好消息”是：这场荒诞剧对学术界的损害并不大，因为绝大多数科学工作者都有基本的判断力，即使NICT这群作者如此努力地刷存在感，大家也不会关注他们的这个工作。好吧，如果这算个好消息的话……
附录
量子力学是描述微观世界物理规律的基本理论。它解答了很多基本问题，例如：为什么原子能够稳定存在，绕着原子核运动的电子不会落到原子核上去？为什么原子会组合成分子？为什么有些物质能导电，有些物质不导电，有些物质是半导体，还有些物质是超导体？从晶体管到激光器，现代社会的每一样科技成就，都离不开量子力学。
量子信息是量子力学与信息科学结合产生的交叉科学，目的是利用量子力学实现经典信息科学中实现不了的功能，例如永远不会被破解的保密方法（就是本文中提到的量子密钥分发）、科幻电影中的“传送术”（是的，传送术在原理上是可以实现的，它的专业名称叫做“量子隐形传态”）。如果你想了解量子隐形传态的科学原理，可以参见我的文章《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》。
《星际迷航》中的传送术
正如经典的信息科学包括通信和计算两大领域，量子信息也可以分为两大领域：量子通信和量子计算。
量子通信的内容，包括量子密钥分发（又称为“量子保密通信”）和量子隐形传态（即传送术）以及“超密编码”等等。在严格的科学意义上，量子密钥分发并不等于量子通信，而是它的一部分。但是，量子密钥分发发展得最快，已经接近产业化了，例如中国的若干金融机构在试用量子通信仪器来传输核心数据。而量子隐形传态以及整个量子计算领域，都还处于实验室演示阶段，离实用非常远。因此，媒体上报道的量子通信，在大多数情况下指的就是量子密钥分发。
要理解量子密钥分发，首先要明白什么是“密钥”。其实这个词很容易理解，它就是日常语言中的“密码本”，《红灯记》、《潜伏》等谍战片中无数情报人员舍死忘生争夺的那个东西。说得正规一点，密钥就是从明文到密文的变换参数。
红灯记
发送方（以下称为A）和接收方（以下称为B）如果都有密钥，而密钥满足三个条件（一，密钥是一串随机的字符串；二，密钥的长度跟明文一样，甚至更长；三，每传送一次密文就更换密钥，即“一次一密”），那么双方之间的通信就是“绝对安全”的。这里“绝对安全”是一个数学用语，它的意思是：敌人即使截获了密文，也无法破译出明文，他能做的最多也只是瞎猜而已。
这听起来好像已经解决了保密通信问题？其实没有。真正的困难在于，怎么把密钥从一方传到另一方？现实生活当中，需要第三方的信使来传递，而信使可能被抓（如《红灯记》中的李玉和）或者叛变（如《红岩》中的甫志高），这麻烦就大了。最好是不通过信使，AB双方直接见面分享密钥。但是如果双方可以轻易见面，还要通信干什么？！
量子保密通信就是为了解决这个问题而提出的。它做的其实只有一件事情：不经过信使，通信双方直接共享密钥。
怪哉，不通过信使怎么共享密钥？关键在于，这里的密钥并不是预先就有的，一方拿在手里想交给另一方。在初始状态中，密钥并不存在！
量子密钥是在双方建立通信之后，通过双方的一系列操作产生出来的。利用量子力学的某些特性（“叠加原理”和“测量结果的随机性”），可以使双方同时在各自手里产生一串随机数，而且不用看对方的数据，就能确定对方的随机数序列和自己的随机数序列是完全相同的。这串随机数序列就被用作密钥。
量子密钥的产生过程，同时就是分发过程，——这就是量子保密通信不需要信使的原因。
双方都有了密钥之后，剩下的事情就跟经典的通信完全相同了：A把明文用密钥编码成密文，然后用任意的通信方式发给B。“任意的”通信方式的意思就是“怎么都行”：可以用电话，可以用电报，可以用电子邮件，甚至用平信都行。量子保密通信的特别之处，只是让双方不经过信使直接分享密钥，仅此而已。这就是为什么它的专业名称叫做量子密钥分发。
以上是量子密钥分发的基本原理。至于实现它的技术方案，科学家提出过若干种，都叫做某某协议（就像计算机科学中的“TCP/IP协议”）。这些协议可以分为两大类：需要量子纠缠的，和不需要量子纠缠的（即用单光子源的）。
“量子纠缠”是一个被很多媒体传得神乎其神的概念，几乎成了心灵感应、神秘主义的代名词。但实际上，量子纠缠是一个有明确定义的概念，是一种被量子力学预言必然出现也早就观测到的现象，它的物理原理很清楚，绝大部分神秘感都是被故弄玄虚的媒体强加上去的。
由于篇幅限制，本文不打算详细解释量子纠缠。对于当前的目的，对量子纠缠只需要了解两点：一，量子纠缠是一种多粒子的现象，也就是说需要两个或更多的粒子；二，对于实验者来说，粒子越多，操纵的难度越大。
根据这两点，立刻可以明白，在量子密钥分发的方案中，用到量子纠缠的比不用量子纠缠的困难，因为操纵两个粒子比只操纵一个粒子困难。因此，虽然量子密钥分发可以用量子纠缠来实现，但这并不实用，好比用火箭送快递。有实用意义的都是不用量子纠缠的协议，即单光子的协议，绝大多数量子密钥分发的实验都是这样做的。
在不用量子纠缠的协议中，如果每次只发一个光子，就可以保证窃听者无法偷到任何信息。但如果A方发射多于一个光子，原则上一个窃听者就可以把其中的一个光子拦截下来自己去研究，放其余的光子过去。这样他就可以窃取密钥，这叫做“光子数分离攻击”。实际上，在常规的光通信中，窃听也是这样进行的，即从大量的光子中窃取一部分。
在所有的量子密钥分发协议中，目前最先进的是“诱骗态协议”，王向斌教授就是它的提出者之一。实际的激光光源都不是单光子源，发射的光子数有一定的分布。当发射许多光脉冲时，相当于发射一些单光子脉冲和一些多光子脉冲。在平均光子数小于1时，就可以通过诱骗态方法，随机切换强度，然后按指定算法，相当于只用其中的单光子脉冲。对于量子密钥分发的安全性而言，这相当于把实际的不完美的光源变成了完美的单光子源，克服了应用上的一大障碍。
墨子号用的是平均光子数约为0.5的弱光光源，使用了诱骗态协议，因此其安全性等价于单光子源，这是真正的量子通信。而苏格拉底卫星发的是平均光子数高达一亿的强光，也没有用诱骗态协议。现在你可以理解这是什么样的概念，这破绽得有多大，——简直是浑身都是破绽，不知从何说起！
最后，澄清一个容易产生的误解。墨子号除了量子密钥分发之外，也做了量子纠缠分发的实验。很多人把它们混为一谈，以为量子通信必然离不开量子纠缠，但实际上这是两个不同的实验。如前所述，量子密钥分发并不需要量子纠缠。墨子号是既能做量子密钥分发，也能做量子纠缠。而苏格拉底卫星既做不了量子密钥分发，也做不了量子纠缠。对前者它至少尝试着做了一些相关的努力，对后者却完全不沾边了。这两颗量子通信卫星，真是没多少可比性……
背景简介：本文作者为袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
本文应《自然杂志》（Chinese Journal of Nature）副主编方守狮教授之邀，2017年8月发表于该刊第39卷第4期的“科学聚焦”（Science Focus）栏目（第299-303页，doi:10.3969/j.i ssn.0253-9608.2017.04.009），英文标题为“Did Japan indeed perform quantum communication experiment using amicrosatellite, as media claimed?”。《自然杂志》是由上海市教育委员会主管、上海大学主办的，涵盖自然科学各领域的学术性和可读性兼顾的高级科普杂志，创刊于1978年5月，双月刊。
致谢：感谢中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室陈宇翱教授、张强教授和清华大学物理系王向斌教授、交叉信息研究院尹璋琦博士在科学内容方面的指教。
责任编辑：郭尖尖
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