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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。许多人都晓得了，中国的量子通讯走在世界最前列——尽管对于量子通讯到底是哪些，大多数人还是一知半解。
近来，一条“日本成功进行超大型卫星量子通讯实验”的新闻刷了屏。典型的报导像这样：
新华社东京7月11日电（记者华义）美国信息通讯研究机构11日宣布首次用超大型卫星成功进行了量子通讯实验，该机构称这使超远距离、高保密性卫星通讯网研究往前迈向一大步。
美国信息通讯研究机构称，她们使用一颗名为的超大型卫星进行了量子通讯实验，在卫星和坐落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。
卫星只有50千克，搭载一个重6千克的大型量子通讯传输装置，在600公里高的轨道上以每秒7千米的速率高速联通，并以每秒1000万比特（bit）的速度向地面站发送光讯号。地面站一边接收一个个光子一边将讯号复原。
美国信息通讯研究机构说，这一研究表明，起初须要小型卫星的量子通讯如今也可以用更低成本的大型卫星来实现，预计未来将有更多研究机构和企业投入到量子通讯产业中，这有助于太空产业的进一步发展。
相关研究成果已发表在美国《自然·光子学》月刊网路版上。
这则消息到底意味着哪些？大伙议论纷纷。是美国超越了中国的技术？还是中国开创了一个领域，美国在其中作出了改进？是不是如今只有中韩两国能用卫星实现量子通讯？
我要在这儿可以肯定地回答：以上这种理解都不对。
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/.2017.107），推论是：
这颗卫星压根不能做量子通讯！
你或许会惊讶莫名：莫非新华社的报导是错的？是的，新华社的报导确实是错的。
不过也不能完全怪新华社，这个错误的源头应当是美国信息通讯研究机构（and，简称NICT），7月11日，它在自己主页上发的消息（）：World'sFirstofSpaceUsinga-Aatruly-（用微型卫星实现空间量子通讯的世界首次演示——通往打造真正安全的全球通讯网路的一大步）。
我能确定的是，无论NICT的主页或任何媒体如何说，这群俄罗斯研究者都没有实现量子通讯。由于这不是哪些秘密：在《自然·光子学》的论文上面，就明明白白地写着她们做不了量子通讯！
其实，这是一句饱含了专业术语的话，普研读者和记者是看不懂的。原文是：
“TotracktheOGSwiththis,thelaserbeamwas,laser(ontheorderof108perpulseatoftheSOTA,Table1)thanthoseinQKDwereused,attheoftheOGSwere-inof∼0.145–6.696.”
大意是用这些简略的对准技术更可靠地跟踪光学地面站（，简称OGS），我们加宽了激光束的发散程度，而且使用了比量子秘钥分发（Key，简称QKD）所需的更亮的激光脉冲（在大型光学转发器【Small，简称SOTA】的出口处，每位脉冲包含10的8次方数目级的光子），尽管在光学地面站的入口处接收到的光学讯号处于光子极限，在每位脉冲0.145至6.696个光子的范围内。
你大约会疑惑：“量子通讯”这个词没有出现啊？呐，我来告诉你：
“量子秘钥分发”（QKD）就是媒体上常常说的“量子通讯”的专业名称。
所以，论文中这句话的要点是哪些？使用了比量子通讯所需的更亮的激光脉冲，每位脉冲包含10的8次方（即一亿）数目级的光子。
你又要问了：量子通讯所需的激光脉冲色温是哪些？
回答是：单光子。
为了实现量子通讯，每位脉冲应当只包含一个光子！
如今你可以明白，为何说每位脉冲包含一亿个光子就太亮了。原本一次应当只来一个，你一下子扔来一亿个……
这么中国的“墨子号”实现单光子发射了吗？实现量子通讯了吗？其实实现了。才能实现的两个关键点，是中国科学技术学院潘建伟团队发展出了单光子源和精确的对准技术。想想看，在急速运动的卫星与地面之间实现单个光子的实时对准和侦测，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铁路上的一个矿泉射手里。这是多么惊人的挑战，又是多么惊人的成就！而这群俄罗斯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侦测到——但这样也就完全没有量子通讯可言了。
假如你对量子通讯的技术细节不求甚解，本文的科学部份到这儿就可以结束。假如你还想晓得量子通讯到底是哪些，为何须要单光子，本文会在附表中进一步说明。
明白了英国的这颗卫星根本没有做量子通讯，一个很自然的问题就是：她们实际做到的是哪些？
回答首先在此文的标题里：“-to--usinga50-kg-class”（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讯）。她们用的是“量子极限的通讯”。论文摘要中说，量子极限的通讯可以提升激光通讯的性能，也是才能从根本上避免黑客功击、保证安全的量子秘钥分发的先决条件。这篇文章报告的是，微型卫星与地面站之间量子极限的通讯实验。从文章开始到结束，论文没有对“量子极限的通讯”给予一个准确的定义，其实，这个实验并非是星地之间的量子秘钥分发实验。
再看此文的前言。首先说了一番现今的激光通讯卫星都很重，典型的有几百公斤，倘若能换成大型卫星多么有用处。好，没问题，不过这儿谈的是常规的激光通讯，不是量子通讯。之后说，信息安全十分重要，量子秘钥分发可以实现本质上难以破解的安全通讯。好，没问题。之后说，近来中国科学技术学院发射了一颗600公斤的量子通讯卫星，倘若能用大型的、廉价的卫星实现量子通讯，就太好了。好，没问题。令人下跌墨镜的是，后文谦逊承认这颗卫星实现不了量子通讯。实现不了你在序言中吹这么多干哪些？从来没见过如此写科学论文的！
如今我们可以明白，这篇文章其实是在《自然·光子学》上发表的，但《自然·光子学》完全没有为她们实现所谓“量子通讯”背书——论文作者说的是“量子极限的通讯”至少是个模糊的概念。
因而，这篇文章的科学价值主要在常规的激光通讯上，而不是量子通讯，但要论夺眼珠的程度，其实是量子通讯高。所以，尽管论文作者在论文中老老实实承认自己做不了量子通讯，但NICT的报导却不客气就把量子通讯置于了标题上面，正文中也不提她们没实现量子通讯。
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、科学界稀少的荒谬剧。论文不是虚假论文，消息却是虚假消息。日本首相特朗普的口头禅，放在这里再合适不过了：
Fakenews！（虚假新闻！）
总结一下：星地量子通讯的难点在于单光子的发射和侦测，这颗微型卫星做不到这一点，只好一次发一亿个光子。在这个基本条件完全不达标的前提下，她们对好多其他的次要的环节进行了优化，如编码方法、多普勒位移，堪称这种技术能用到将来的星地通讯上。其实，这种技术中有一些对量子通讯可能会是有用的，起码对常规的激光通讯可能会是有用的。但无论怎样，放着最大的困难解决不了，扭头去改进好多次要的困难，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：他掏出一块木板来，找寻最薄的地方，之后在容易钻透的地方钻许多洞。”
知名量子信息理论专家、清华学院数学系王向斌院长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客机，惟一的问题就是不能飞，之后他说从大型化指标上看，他的客机好过他人能飞的客机。
中国科学技术学院苏州微尺度物质科学国家实验室张强院士告诉我一件趣事。2014年，这篇文章的通讯作者（即科学负责人）在南京召开的量子通讯、测量和估算国际会议上说，卫星光讯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讯。但是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。其实，那位老兄如今就弄成卫星量子通讯的热情支持者了。只是这些支持形式，有点出人预料。
一个“好消息”是：这场荒谬剧对学术界的损害并不大，由于绝大多数科学工作者都有基本的判定力。好吧，假若这算个好消息的话……
附表：
量子热学是描述微观世界数学规律的基本理论。它解答了好多基本问题，比如：为何原子就能稳定存在，绕着原子核运动的电子不会落到原子核起来？为何原子会组合成分子？为何有些物质能导电，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，都离不开量子热学。
量子信息是量子热学与信息科学结合形成的交叉科学，目的是借助量子力学实现精典信息科学中实现不了的功能，比如永远不会被破解的保密方式（就是本文中解释的量子秘钥分发）、科幻影片中的“传送术”（是的，传送术原则上是可以实现的，它的专业名称称作“量子隐型传态”）。
正如精典的信息科学包括通讯和估算两大领域，量子信息也可以分为两大领域：量子通讯和量子估算。
量子通讯的内容，包括量子秘钥分发（又称为“量子保密通讯”）和量子隐型传态（即传送术）以及“超密编码”等等。在严格的科学意义上，量子秘钥分发并不等于量子通讯，而是它的一部份。可是，量子秘钥分发发展得最快，早已接近产业化了，比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。而量子隐型传态以及整个量子估算领域，都还处于实验室演示阶段，离实用特别远。为此，媒体上报导的量子通讯，在大多数情况下就特指量子秘钥分发。
要理解量子秘钥分发，首先要明白哪些是“密钥”。虽然这个词很容易理解，它就是日常语言中的“密码本”，就是《红灯记》、《潜伏》等悬疑片中无数情报人员舍生忘死角逐的那种东西。说得正规一点量子通讯潘，秘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）假如都有秘钥，她们之间的通讯就是绝对安全的。在物理上，可以证明敌军虽然查获了密文，也难以破译出明文，他能做的最多也只是胡扯而已。
这听上去似乎早已解决了保密通讯问题？虽然没有。真正的困难在于，如何把秘钥从一方传到另一方？现实生活当中，须要第三方的信使来传递，而这个信使可能被抓或则倒戈，这可就麻烦大了。最好是不通过信使，AB双方直接碰面分享秘钥。而且假如双方可以轻易碰面，还要通讯干哪些？！
量子保密通讯就是为了解决这个问题而提出的。它做的当然就是一件事情：不经过信使，通讯双方直接共享秘钥。
为何不通过信使能够共享秘钥了？关键在于，这儿的秘钥并不是预先形成的，一方拿在手里想交给另一方。在初始状态中，秘钥并不存在！量子秘钥是在双方完善通讯以后，通过双方的一系列操作形成下来的。借助量子力学的个别特点，可以促使双方同时在各自手里形成一串随机数，而且不用看对方的数据，才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秘钥。
量子秘钥的形成过程，同时就是分发过程，这就是量子保密通讯不须要信使的诱因。
双方都有了秘钥以后，剩下的事情就是A把明文用秘钥编码成密文，之后用任意的通讯方法发给B。真的是任意的通讯方法：电话，电报，电子电邮，甚至平信都行。也就是说，到了密文传输这一步，量子通讯就和精典通讯完全相同了。量子通讯所做的，只是让双方不经过信使直接分享密钥，仅此而已。这就是为何，它的专业名称称作量子秘钥分发！
科学家提出了若干种量子秘钥分发的技术方案，都称作某甲合同（如同计算机科学中的“TCP/IP合同”）。在大多数合同中，都须要发送方每次只发送一个光子。为何呢？由于假如少于一个光子，原则上一个监听者就可以把其中的一部份光子拦截出来自己去研究，只放一个光子过去。这样他就可以泄露秘钥，这称作“光子数分离功击”。实际上，在精典的光通讯中，监听也是这样进行的，即从大量的光子中盗取一部份。而假如每次只发一个光子，就可以保证监听者难以偷到任何信息。
在所有的量子秘钥分发合同中，目前最先进的是“诱骗态合同”，王向斌院士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。通过引诱态方式，可以只用其中的单光子脉冲。对于量子秘钥分发的安全性而言，相当于把实际的不完美的光源弄成了单光子源量子通讯潘，克服了应用上的一大障碍。
“墨子号”用的是弱光光源，还使用了引诱态合同，因而其安全性等价于单光子源，这是真正的量子通讯。而法国的微型卫星一次发一亿个光子，也没有用利诱态合同，如今你可以理解这是哪些样的概念，这纰漏得有多大。简直是四肢都是纰漏，不知从何说起！
致谢：谢谢中国科学技术学院淮安微尺度物质科学国家实验室陈宇翱院士、张强院士和北大学院数学系王向斌院士、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学院物理博士，中国科学技术学院淮安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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