日本衛星量子通信實驗成功？

對這個問題我有一個真正專業的回答，而這個回答會讓絕大多數人眼鏡碎一地：日本的衛星根本沒做量子通信實驗，更談不上成功了！這是個假消息！用川普的話說，fake news！

你的第一反應肯定是：那他們的論文是怎么回事？

回答是：日本作者在《自然·光子學》上的論文（Nature Photonics, DOI: 10.1038/NPHOTON.2017.107）是真論文，但他們自己宣傳的“成功進行微型衛星量子通信實驗”是假消息，因為在論文里，他們就明確地說明了自己做的不是量子通信的實驗。

請看論文原文：

“To track the OGS more reliably with this coarse pointing, the laser beam divergence was widened, and brighter laser pulses (on the order of 10^8 photons per pulse at the exit of the SOTA, Table 1) than those required in QKD were used, although the optical signals received at the entrance of the OGS were photon-limited in the range of ～0.145– 6.696 photons per pulse.”

我來翻譯一下：

“為了用這種粗略的對準技術更可靠地跟蹤光學地面站（Optical Ground Station，簡稱OGS），我們加寬了激光束的發散程度，并且使用了比量子密鑰分發（Quantum Key Distribution，簡稱QKD）所需的更亮的激光脈沖（在小型光學轉發器【Small Optical TrAnsponder，簡稱SOTA】的出口處，每個脈沖包含10的8次方數量級的光子，見表1），雖然在光學地面站的入口處接收到的光學信號處于光子極限，在每個脈沖0.145至6.696個光子的范圍內?！?/p>

你大概會納悶：“量子通信”這個詞沒有出現啊？回答是：

“量子密鑰分發”是“量子通信”中唯一已實用化的技術，做不了量子密鑰分發就意味著做不了量子通信。

所以，論文中這句話的要點是什么呢？使用了比量子通信所需的更亮的激光脈沖，每個脈沖包含10的8次方（即一億）數量級的光子。

那么，量子通信所需的激光脈沖亮度是什么？

回答是：

單光子。

為了實現量子通信，每個脈沖應該只包含一個光子！

現在你可以明白，為什么說每個脈沖包含一億個光子就太亮了，這是一億倍的不達標?。?/p>

為什么要用這么多光子？因為從衛星到地面的信號衰減很嚴重，星地之間的對準又是“粗略的”，發射單個光子收不到，只得增加信號源的強度，——但這樣也就完全沒有量子通信可言了。

光子數超過一個，對于量子通信有什么危害？回答是：一，量子密鑰分發的目的是保密通信。二，如果用單光子源，就可以保證竊聽者偷不到任何信息。三，如果發射的光子數多于一個，原則上竊聽者就可以只放一個光子過去，把其他的光子攔截下來，這樣就可以竊密。

那么中國的墨子號實現量子通信了嗎？實現了。能夠實現的兩個關鍵點，是中國科學技術大學潘建偉團隊發展出了精確的星地對準技術，以及用“誘騙態協議”實現了等效的單光子源（詳細解釋見本文附錄）。想想看，在飛速運動的衛星與地面之間實現單個光子的實時對準和探測，相當于在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進一列全速行駛的高鐵上的一個礦泉水瓶里。這是多么驚人的挑戰，又是多么驚人的成就！

星軌背景下墨子號量子衛星與興隆站用信標光對準

明白了日本的這顆衛星根本沒有做量子通信，一個很自然的問題就是：他們實際做到的是什么？

回答首先在此文的標題里：Satellite-to-ground quantum-limited communication using a 50-kg-class microsatellite（用一顆50公斤級別的微型衛星實現星地之間量子極限的通信）。請看，標題里沒有說“量子通信”，他們用的是“量子極限的通信”，——這個說法看起來是他們發明的，沒有其他研究者用。

再來看此文的引言。

首先說了一番現在的激光通信衛星都很重，典型的有幾百公斤，如果能換成小型衛星多么有好處。好，沒問題。不過這里談的是常規的激光通信，不是量子通信。

然后說，信息安全非常重要，量子密鑰分發可以實現本質上無法破解的安全通信。好，沒問題。所有的量子通信研究者都是這么說的。

然后說，最近中國發射了一顆600公斤的量子通信衛星，而如果能用小型的、廉價的衛星實現量子通信，就太好了。好，沒問題，——但是令人大跌眼鏡的是，后文中卻坦率承認這顆衛星實現不了量子通信。實現不了你在引言中說那么多干什么？從來沒見過這么寫科學論文的！

這是我見過的最奇怪的論文之一！

現在我們可以明白，這篇文章雖然是在《自然·光子學》上發表的，但《自然·光子學》完全沒有為他們實現所謂“量子通信”背書，——他們說的是“量子極限的通信”這個自創的模糊的概念。

那么為什么媒體會說他們實現了量子通信？來源是這群作者所在的日本信息通信研究機構（National Institute of Information and Communication Technology，簡稱NICT）在自己主頁上發的消息（http://www.nict.go.jp/en/press/2017/07/11-1.html）：World's First Demonstration of Space Quantum Communication Using a Microsatellite - A big step toward building a truly-secure global communication network（用微型衛星實現空間量子通信的世界首次演示——通往構筑真正安全的全球通信網絡的一大步）。記者看不懂如此專業的科學論文，自然是他們說什么就是什么了，然后傳得滿世界都是。

這篇文章如果說有科學價值，那是在常規的激光通信上，而不是量子通信。但要論奪眼球的程度，顯然是量子通信高。所以雖然他們在論文中老老實實承認自己做不了量子通信，但在NICT的報道中，卻老實不客氣就把量子通信放在了標題里面，正文中也不提他們沒實現量子通信了。論文不是虛假論文，消息卻是虛假消息，如此奇葩前所未見！

是這群作者自己想出名想瘋了？還是NICT的領導想搞個大新聞？不得而知。但無論是誰主導的這波虛假宣傳，都改變不了事實：這是一場虛假宣傳、滑稽的蹭熱點、拙劣的碰瓷、科學界少見的荒誕劇。

順便說一句，這顆衛星的名字是SOCRATES，這個詞其實就是偉大的古希臘哲學家蘇格拉底。有一位著名的巴西足球運動員也叫這個名字，因為他的父親很崇拜蘇格拉底。看起來現在很流行用古代思想家來命名量子衛星？墨子發來賀電。為了湊成這個首字母縮寫詞，日本作者們把衛星的全名寫成Space Optical Communications Research Advanced Technology Satellite（空間光學通信研究先進技術衛星），也是夠拼的。可惜媒體在報道中只給出了英文縮寫，沒有指出這個名字的玄機，真是明珠投暗。

日本的微型通信衛星“蘇格拉底”（來自NICT主頁，注意不是微型量子通信衛星）

總結一下：星地量子通信的難點在于單光子的發射和探測，“蘇格拉底”衛星做不到這一點，只得一次發一億個光子。在這個基本條件完全不達標的前提下，NICT的作者們對很多其他的次要的環節進行了優化，如編碼方式、多普勒位移，宣稱這些技術能用到將來的星地通信上。當然，這些技術中有一些對量子通信或者對常規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，轉頭去改進很多次要的困難，就注定了這項工作的格局。正如愛因斯坦所說：“我不能容忍這樣的科學家：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。”

國際著名的量子信息理論專家、清華大學物理系王向斌教授對這項工作有一個傳神的比喻：相當于有人做了個很小很輕的飛機，唯一的問題就是不能飛。然后他說從小型化指標上看，他的飛機好過別人能飛的飛機。

玩具飛機

我的同事、中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室張強教授告訴我一件軼事。2014年，這篇文章的通信作者（即科學負責人）Masahide Sasaki在合肥舉行的量子通信、測量和計算國際大會上說，衛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，所以衛星不能做量子通信。然而后來中國科學家的實踐證明，他這話犯了雙重的錯誤。第一，墨子號衛星把衰減控制到了40分貝。第二，60分貝也能成碼。Masahide Sasaki先生也算知錯就改，現在變成衛星量子通信的熱情支持者了，——只是這種支持方式，有點出人意料。

有一個“好消息”是：這場荒誕劇對學術界的損害并不大，因為絕大多數科學工作者都有基本的判斷力，即使NICT這群作者如此努力地刷存在感，大家也不會關注他們的這個工作。好吧，如果這算個好消息的話……