量子通信就是传统的激光通信?
出品:科普中国
制作:中国科学技术大学 袁岚峰
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  导读:量子通信卫星就是传统的激光通信卫星?传统的激光通信是用激光本身来传信息,而量子通信卫星是用激光来产生密钥,加密后再用其他方式传输密文,完全不是一回事。无知并不丢人,但相信如此违反常理的说法,就不是无知,而是愚蠢了。你可以无知,但不要愚蠢! 

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  2016816日,中国发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”,也点燃了群众对量子科技的兴趣。准确地说,相关的学科叫做“量子信息”,想对此了解更多的读者可以阅读我的科普文章,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)。此文将近4万字,你只要下了这个功夫认真去读,就可以对这个学科获得比较深入的了解,从此超越“吃瓜群众”的水平。 

   

  “墨子号”量子卫星发射 

  但显然,世界上总是有许多人一点辛苦都不愿意下,又喜欢对自己完全不懂的问题指手画脚。于是乎,经常有大批判式的脑残文章出来夺人耳目。一个典型的例子是这样一篇:《我为何认为量子通信是个科技骗局》(https://mp.weixin.qq.com/s/-wDq5_ihAKbV9cmS_Xn8Ew)。 

  不时地有朋友来问我,怎么看待此文。你说我能怎么看待?愚蠢的胡搅蛮缠嘛。正常的科技工作者都很重视自己的信誉,写文章时都尽最大的努力保持正确性,即使有一个不影响主要结论的错误都觉得很抱歉。而这种大字报式文章,是张嘴就来,完全不在乎正确性,完全没有信誉,几乎已经达到了武侠小说中“浑身都是破绽,也就没有破绽”的境界,让人想批都不知道从何处批起。 

  虽然如此,我还是勉力地想批驳这篇文章中的一点。之所以如此,是因为我以前已经解答过若干种对量子通信的质疑(参见《你完全可以理解量子信息》和《你见到的否定量子通信的说法,为什么是错的?》,http://mp.weixin.qq.com/s/tySdgdlj7iG1pOvU0fOkKw),但没想到过这种质疑。没有想到,不是因为这种质疑太有技术含量,——正相反,是因为它太没有技术含量。作者“勇敢”地宣称,墨子号只是一个传统的激光通信卫星! 

   

  是在下输了 

  原文是: 

  这个卫星居然敢被冠以量子通信的名号,就是一个巨大的欺骗!充分说明潘建伟完全是一个牛皮大王。这叫什么量子通信?实际上就是一个传统的激光通信卫星,依然是用激光通道传送,包括声称所谓量子加密也不过是传统的加密手段而已。 

  好吧,如此匪夷所思的罪名都有许多人传来传去,看来群众心理学是门有趣的学问。下面我来解释一下,为什么这是个愚蠢得突破天际的说法。 

  一、量子科学实验卫星实际做的是什么? 

  墨子号有三大科学任务,其中一般被媒体称为“量子通信”的,是“量子密钥分发”这个任务。它是一种保密的方法,也被称为量子保密通信。 

  所谓密钥,就是《红灯记》、《潜伏》、《春天的十七个瞬间》等谍战片中的密码本,发送方用它加密,接收方用它解密。 

  密钥分发,就是让通信双方获得同一套密码本。传统上,这是李玉和、余则成等情报人员干的事。显然这是个风险很大的任务,信使被抓或者叛变,就会造成惨重的损失。 

   

  李玉和 

  而量子密钥分发,就是不通过信使,利用量子力学的特性,让通信双方直接分享密钥。简单地说,就是李玉和可以光荣下岗了! 

  这样一解释,你肯定就会明白,这是一种全新的能力,完全不是传统方法能够做到的。 

  如果你想知道量子密钥分发的具体过程,可以阅读我的文章《你完全可以理解量子信息》中的相关内容(http://mp.weixin.qq.com/s/kKLd5_YbjI765qBvuSFB4A)。基本过程是,通信方发出一系列单个光子,接收方测量这些光子的状态,最终双方各自获得了一个由随机的01组成的数列(例如0110010011……),而且不用看对方的数据,就能保证对方的数列跟自己的完全相同。这个数列,就是量子密钥。 

   

  量子密钥分发 

  你也许会问,既然量子力学能让双方分享信息,那何不直接分享要传输的信息?回答是,这套流程产生的只能是随机数。你想让它传输一段特定的信息,例如111111,对不起,它传不了。 

   

  臣妾做不到啊 

  随机数序列本身不能传输信息,但作为密钥,却正合适不过!为什么呢?因为用这样的一串随机数密钥加密以后,密文在数学意义上是绝对不可破译的。这是信息论的创始人克劳德·香农(Claude E. Shannon)证明的一个定理。 

   

  香农 

  原因其实很简单,这样加密得到的任何的密文都以同样的概率对应同样长度的任何的明文,也就是说,密文和明文之间完全没有关联。好比你对一群人问:“谁是李向阳?”所有人都回答:“我就是李向阳!”所以你除了瞎猜之外,什么都得不到。即使你有无限的计算能力,也毫无用武之地,因为这压根不是个可以破解的数学问题。而许多传统的密码术,就是可以被数学破解的,这是量子密码优于它们的地方。 

  因此,用量子密钥给明文加密后,就可以放心大胆地用任意的通信方式来传输密文了。这一步就是传统的通信,可以用光纤,可以用电话,可以用电子邮件,甚至用平信——什么都行。 

  总而言之,量子保密通信的全过程包括两步,第一步是量子密钥分发,第二步是传输密文。所有的特别之处,都在第一步上。所以对量子保密通信的研究,就是对量子密钥分发的研究。 

  墨子号具体做到的,是星地之间的量子密钥分发,即让卫星和地面站同时获得密钥。有了以上的背景知识,你就可以看明白像这样的报道了: 

  墨子号量子卫星过境时,与河北兴隆地面光学站建立光链路,通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍)。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次过轨对接实验可生成300 kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1 kbps 

  二、类似的实验有没有别的国家在做? 

  有,例如最近日本发射了一颗名叫“苏格拉底”(SOCRATES)的微型卫星,也研究了相关的技术。但是,这颗卫星并没有实现量子密钥分发。 

  这里的原因是,量子密钥分发需要每个脉冲只包含一个光子。光子是光的最小单位,如果比一个光子还少,就完全没有光了。因此对窃听者来说,他或者拿走这个光子,这样可以阻断通信,但不能窃密,或者放过这个光子,这样仍然不能窃密——总之就是不能窃密。而如果脉冲不是单光子的,窃听者就可以从每个脉冲中偷一个光子回去研究,这样就可以窃密了,这叫做“光子数分离攻击”。 

   

  光子数分离攻击 

  中国墨子号发的确实是单光子,所以实现了量子密钥分发,如上所述,平均成码率可达1.1 kbps。而日本的苏格拉底卫星就有意思了,每个光脉冲包含一亿个光子。你明白了吧,这是一亿倍的不达标啊! 

  为什么日本研究组一次要发这么多光子呢?这是由于他们在卫星和地面站之间的对准精度不够,为了让探测器收到信号,只得发一个很强的光脉冲。而墨子号的对准精度非常高,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”,所以单个光子就可以探测到。这真叫做:行家一伸手,就知有没有!人比人得死,货比货得扔! 

   

  墨子号量子卫星与兴隆地面站用信标光对准 

  因此,这些日本作者在他们发表于《自然·光子学》的论文中(“Satellite-to-ground quantum-limited communication using a 50-kg-class microsatellite, Nature Photonics, 11, 502 - 508),明确承认他们没有实现量子通信,只是在研究相关的技术。如果不承认,论文也不可能通过审稿发出来。 

  然而,他们所在的单位“日本信息通信研究机构”(National Institute of Information and Communication Technology,简称NICT),却在自己的主页上隆重宣布自己实现了微型卫星的量子通信,让世界各国不明真相的媒体跟着炒作了一波,制造了一出夸大宣传的闹剧。关于此事的详细分析,可以参见我的文章《日本真的成功进行超小型卫星量子通信实验了吗?》(https://mp.weixin.qq.com/s/h0X0Tz6Ijw-eWaxqi9q2cg)。 

   

  日本的微型通信卫星“苏格拉底”(来自NICT主页) 

  我们来做个比喻:中国和日本都说要造一架飞机,然后中国真的造出一架能飞的飞机,而日本造了机身、机翼以至飞机内饰,但造不了发动机,这飞机飞不起来,只能停在地面当个模型。然后日本的宣传部门大肆鼓吹:我们造出了一架飞机,而且重量比中国的轻,我们超过中国了!如此“工匠精神”,真是富有日本特色…… 

  顺便说一句,中国的隐形战斗机歼-20已经服役了,而日本的隐形战斗机“心神”不但技术指标远不如歼-20(既不隐形也不战斗),而且在最后一次试飞后没有后续计划,眼看要成为烂尾楼。所以上面虽然只是拿飞机来作比喻,却也算无心插柳柳成荫。 

   

  -20 

   

  心神 

  但无论如何,你只要知道了日本也在造量子通信卫星,就至少明白了这是个真实的科研方向,是存在国际竞争的。 

  其实不止日本,德国也在发展卫星量子通信。最近,德国马克斯·普朗克研究所的科学家们,在地球同步卫星Alphasat I-XL和西班牙的地面接收站之间,验证了用光子的“相位编码”表示01来进行量子密钥分发的技术(以前用的都是光子的“极化”)。 

  国内关于量子通信的舆论经常给人一个印象,好像世界上只有中国在大力发展这个领域,为全人类当小白鼠,其他国家都在冷眼旁观。现在,你明白这是个错觉了吧?  

  20178月,《自然·光子学》撰文介绍了日本、中国和德国在卫星量子通信技术方面的进展,标题就叫做《量子空间竞赛愈演愈热》(“Quantum space race heats up, Nature Photonics, 11, 456 - 458)。在中国国内吵吵嚷嚷的同时,其他国家并没有闲着! 

  三、量子通信卫星就是传统的激光通信卫星吗? 

  看了以上的介绍,你就明白了,完全不是一回事。传统的激光通信是用激光本身来传信息,而量子通信卫星是用激光来产生密钥,然后密文再用其他方式传输。在科学意义和技术难度上,显然是量子通信大得多。 

  因此,日本作者的文章虽然没有实现量子通信,也发到了《自然·光子学》这样很高档次的期刊上,因为仅仅是相关的研究就很重要。也正是因为同样的原因,他们才会吹嘘自己做到了量子通信。如果量子通信卫星只是传统的激光通信卫星,NICT为什么要厚着脸皮来碰瓷蹭热点?这样的消息为什么又会成为国际新闻? 

  所以,真正有趣的问题是:什么样的人,才会相信这种离谱的说法呢? 

  我有一句忠告,不知当讲不当讲: 

  学习量子力学等高深的科学知识很不容易,这可以理解。知识水平低,本身并不丢人。你完全可以too young, too simple, sometimes naive,只要stay hungry, stay foolish就是好的。但相信太过违反常理的说法,认为全国的领导都是傻子,全国的评审专家都是傻子,全世界的科学家都是傻子,就不是无知,而是愚蠢了。 

  你可以无知,但不要愚蠢! 

  作者简介: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)。 

  请关注风云学会的微信公众平台“风云之声”,微信号fyvoice 

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