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日本的量子通信卫星:不能做量子通讯

撰文 | 袁岚峰
责编 | 陈晓雪
 
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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,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?是不是现在只有中日两国能用卫星实现量子通信?
 
我要在这里可以肯定地回答: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(DOI:10.1038/NPHOTON.2017.107),结论是:
 
这颗卫星压根不能做量子通信!
 
你也许会惊诧莫名:难道新华社的报道是错的?是的,新华社的报道确实是错的。
 
不过也不能完全怪新华社,这个错误的源头应该是日本信息通信研究机构(National Institute ofInformation and Communication Technology,简称NICT),7月11日,它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 a Microsatellite - A bigstep toward building a truly-secure global communication network(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,普通读者和记者是看不懂的。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),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?呐,我来告诉你:
 
“量子密钥分发”(QKD)就是媒体上经常说的“量子通信”的专业名称。
 
所以,论文中这句话的要点是什么?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。
 
你又要问了: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。本来一次应该只来一个,你一下子扔来一亿个……
 
那么中国的“墨子号”实现单光子发射了吗?实现量子通信了吗?当然实现了。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单光子源和精确的对准技术。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!而这群日本研究者既没有单光子源,又使用了“粗略的对准技术”,只能用一亿倍的输入冗余来保证被探测到——但这样也就完全没有量子通信可言了。
 
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。如果你还想知道量子通信究竟是什么,为什么需要单光子,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-groundquantum-limited communication using a 50-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)。他们用的是“量子极限的通信”。论文摘要中说,量子极限的通信可以提高激光通信的性能,也是能够从根本上防止黑客攻击、保证安全的量子密钥分发的先决条件。这篇文章报告的是,微型卫星与地面站之间量子极限的通信实验。从文章开始到结束,论文没有对“量子极限的通信”给予一个确切的定义,显然,这个实验并非是星地之间的量子密钥分发实验。
 
再看此文的引言。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。然后说,最近中国科学技术大学发射了一颗600公斤的量子通信卫星,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。令人大跌眼镜的是,后文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吹那么多干什么?从来没见过这么写科学论文的!
 
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——论文作者说的是“量子极限的通信”至少是个模糊的概念。
 
因此,这篇文章的科学价值主要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,虽然论文作者在论文中老老实实承认自己做不了量子通信,但NICT的报道却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。
 
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。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、科学界少见的荒诞剧。论文不是虚假论文,消息却是虚假消息。美国总统特朗普的口头禅,放到这儿再合适不过了:
 
Fake news!(虚假新闻!)
 
总结一下:星地量子通信的难点在于单光子的发射和探测,这颗微型卫星做不到这一点,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,他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,号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可能会是有用的,至少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不会太高。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。”
 
著名量子信息理论专家、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。
 
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。当然,这位老兄现在就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。
 
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。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(就是本文中解释的量子密钥分发)、科幻电影中的“传送术”(是的,传送术原则上是可以实现的,它的专业名称叫做“量子隐形传态”)。
 
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,在大多数情况下就特指量子密钥分发。
 
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”,就是《红灯记》、《潜伏》等谍战片中无数情报人员舍生忘死争夺的那个东西。说得正规一点,密钥就是从明文到密文的变换规则。
 
发送方(以下称为A)和接收方(以下称为B)如果都有密钥,他们之间的通信就是绝对安全的。在数学上,可以证明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,而这个信使可能被抓或者叛变,这可就麻烦大了。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。它做的其实就是一件事情:不经过信使,通信双方直接共享密钥。
 
为什么不通过信使就能共享密钥了?关键在于,这里的密钥并不是预先产生的,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,可以使得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——这串随机数序列就是密钥。
 
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,剩下的事情就是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。真的是任意的通信方式:电话,电报,电子邮件,甚至平信都行。也就是说,到了密文传输这一步,量子通信就和经典通信完全相同了。量子通信所做的,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!
 
科学家提出了若干种量子密钥分发的技术方案,都叫做某某协议(就像计算机科学中的“TCP/IP协议”)。在大多数协议中,都需要发送方每次只发送一个光子。为什么呢?因为如果多于一个光子,原则上一个窃听者就可以把其中的一部分光子拦截下来自己去研究,只放一个光子过去。这样他就可以窃取密钥,这叫做“光子数分离攻击”。实际上,在经典的光通信中,窃听也是这样进行的,即从大量的光子中窃取一部分。而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。
 
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,发射许多弱光脉冲,相当于发射一些单光子脉冲和一些多光子脉冲。通过诱骗态方法,可以只用其中的单光子脉冲。对于量子密钥分发的安全性而言,相当于把实际的不完美的光源变成了单光子源,克服了应用上的一大障碍。
 
“墨子号”用的是弱光光源,还使用了诱骗态协议,因此其安全性等价于单光子源,这是真正的量子通信。而日本的微型卫星一次发一亿个光子,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!
 
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。
 
作者袁岚峰是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。
 
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