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十五、量子密码术的工程成果
  以上是量子密码术的基本原理。为了把这些原理付诸实践,还有大量的工程技术性质的问题。
  举个例子,BB84协议要求A每次只发一个光子。但实际的单光子光源效率很低,用它会导致成码率非常低,比如说几百年才能生成一个字节的密钥。绝大多数实验用的是效率高的激光光源,但激光不是严格的单光子,有一定的几率在一个脉冲中出现多个光子,这就给窃听者留下了可乘之机。
  原则上,窃听者E可以在遇到单光子时拦截下来不让通过,在遇到多个光子时拿走一个,让其余的光子通过。通信双方难以分辨光子的减少是来自窃听还是来自信道的自然损耗,于是在他们公布a和b序列之后,E就知道了该用什么基组去测量自己偷走的这些光子,然后就可以得到密钥。这一招叫做“光子数分离攻击”。
  实际上,对经典通信窃密的基本思路也是一样的:从大量的信号中偷走一部分,让通信方无法察觉。许多影视作品中有类似这样的情节:相距遥远的两地之间的通信是通过一根巨大的光缆实施的,窃听者知道这条光缆经过某栋建筑,就把这栋建筑租下来,在里面布置设备,从光缆上分走了一部分信号。
  量子密码术之所以要用单光子,妙处正在于此。回顾一下本文开头“量子”的概念就能理解,单个光子已经是最小的单元了,所以窃听者无法只偷一部分
  实验条件的种种不完美之处,会给量子密码术的安全传输距离设置一个上限,超过这个距离就可能泄密。在量子密码术最初的实验中,传输距离不到1米。到21世纪初,安全传输距离提高到了10公里的量级。但由于上述的激光不是单光子的问题,安全传输距离无法提高到20公里以上。当时许多科学家认为这项技术已经到头了,对它失去了兴趣。

光子数分离攻击


  然而,2003-2005年,韩国科学家黄元瑛(Hwang W. Y.)和中国科学家王向斌、罗开广等人想出了一种巧妙的办法,就是前面提到的“诱骗态协议”。激光光源发射的光子数有一定的分布,发射许多光脉冲就相当于发射一些单光子脉冲、一些多光子脉冲和一些零光子脉冲(也就是没发)。在脉冲的平均光子数小于1时,诱骗态方法可以使得实验等效于只用单光子脉冲。对于量子密码术的安全性而言,这相当于把实际的不完美的光源变成了完美的单光子源。
  克服了这个重要障碍以后,量子密码术的安全传输距离开始迅猛增长,不断刷新纪录。自那以来,大多数纪录都是中国科学技术大学的实验团队创造的。
  对量子密码术的另外一类攻击是在探测器上,实际体系中大部分漏洞来自于此。例如,原则上用强激光照射接收器可以将其“致盲”,然后就可以控制它,欺骗通信者。为此,人们又发明了安全性与测量仪器无关的量子密钥分发技术。这个新技术是中国科学技术大学潘建伟团队率先实现的,被评为2013年全球物理学十大进展和2014年中国十大科技进展之一。
  2016年8月16日,墨子号量子卫星上天时,光纤中的安全传输距离已经超过了200公里。2016年11月,中国科学技术大学、清华大学、中科院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院等单位合作,又把安全传输距离提高到了404公里,而且在102公里处的安全成码率已经足以保证安全的语音通话。也就是说,间隔102公里的量子保密电话已经是在技术上可行的了。
  几百公里的范围,对于一个城市内部的通信来说是够用了,我国确实在合肥、芜湖、北京、上海、济南等地建设了实验性的量子政务网。但对于城市之间、国家之间甚至大洲之间的通信,几百公里的距离远远不够。也就是说,单凭光纤的话,量子密码术就好比以前的“小灵通”,只能在一个城市内部用。要实现从小灵通到手机的跨越,还需要另辟蹊径。
  如何在更长的距离上实现量子保密通信?科学家们提出了两条技术路线
  一条技术路线是直截了当容易想到的,每隔一两百公里加一个中继器
  跟BB84协议的原理相比,量子密码中继器的原理真是简单到爆。如果你看前者看得云里雾里,请放心,下面这一段你肯定能看懂。
  假设我们有一串节点,记作1号、2号、3号……,最后是N号。先在1号和2号之间建立量子通信,产生一个密钥,记作k1。然后在2号和3号之间建立量子通信,产生一个密钥,记作k2。2号把k1作为待传输的明文,用k2对它加密,传输给3号。3号同样把k1传输给4号,4号把k1传输给5号,……一路把k1传输给N号。最后1号把真正要传输的信息用k1加密,用任意的通信方式传给N号,就完成了。Give me five!
  如果你要问,带中继的量子密码术安全性如何?回答是:这取决于你跟谁比。好比你问,关羽的武力怎么样?那么跟吕布比和跟颜良比,答案完全不同。(颜良:我招谁惹谁了?)
  跟两点之间直接连接的量子密码术相比,安全性是下降了。因为现在所有的N个节点都知道密钥k1,你必须守住中间的N-2个中继器,任何一个中继器被敌方攻破都会泄密。
  但是跟经典通信比,安全性还是要高得多。因为在经典通信中,漫长的通信线路上每一点都可能泄密,每一点你都要防御,这是个令人望而生畏的任务。现在你只需要防守明确的N-2个节点,防线缩短了很多,安全性自然大大提升。
  我国已经基本建设好了量子保密通信“京沪干线”,过不久也许你就会听到它正式开通的消息。京沪干线实际做的事情,就是在北京、济南、合肥、上海的内部量子网络的基础上,通过几十个中继节点把它们连接起来。这样,就可以在两千公里的范围内,实现量子保密通信。

量子保密通信京沪干线


  有趣的是,对京沪干线最热心的不是科学家,而是金融系统的用户。中国工商银行等若干金融机构已经在试用量子密码术了,不过由于安全传输距离的限制,只能在一个城市内部使用。如果能在城际使用,对银行显然大有好处,可以开展很多以前不能开展的业务。因此,在推动京沪干线的建设上,这些银行比香港记者跑得还快!
  另一条技术路线,就玩得大了,玩到天上去了:用卫星作中继器。
  用卫星作中继器,优点是显而易见的:比如说卫星这个时刻在中国上空,下个时刻在欧洲上空,那么就可以实现中国和欧洲之间的量子保密通信。将来建成20颗卫星的星座,就可以覆盖全球。

卫星量子通信示意图


  但困难也是显而易见的:以前光子的传输都通过光纤,现在什么介质都不用,而且一个光脉冲只能发一个光子,这样的“自由空间传输”能收到信号吗?还有,卫星跟地面处于高速的相对运动之中,把双方的探测器对准,是天地之间的“针尖对麦芒”,精度相当于“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”(请一口气念完这个句子!)。以这么高的对准精度,接收弱得不能再弱的光信号(真的不能再弱了,再弱就什么都没有了),这是多么大的挑战!
  明知山有虎,偏向虎山行。“墨子号”量子科学实验卫星就是做这件事的,而且做成了。
  关于第一个问题,自由空间传输其实完全是可行的。光子在真空中基本没有损耗,所以只需要考虑在大气层中的损耗就行了。而在某些波段,光子穿过10公里厚的大气层只损耗20%。所以在同样相距上千公里的情况下,自由空间传输的效率比光纤高得多,前者只有一小部分距离(大气层)有损耗,后者每一寸光纤都实打实地有损耗。2012年,中国科学技术大学潘建伟团队就在青海湖的湖心岛实现了百公里级的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,验证了量子通信卫星的可行性。

青海湖湖心岛的百公里级量子纠缠分发和量子隐形传态实验


  关于第二个问题,星地对准的控制难度虽然高,但也在当代技术的能力范围之内。墨子号发射之后,已经多次跟地面站实现了对准。星地对准不是用生成密钥的那个单光子来做的,而是用另外的信标光。你不可能看见单光子,因为这个单光子如果进了你的眼睛,就不会被探测器收到了。你看到的红色和绿色的光,是信标光。
  由此,墨子号出人意料地繁荣了我国的艺术舞台,成就了一场星空摄影师的狂欢。他们通过重叠曝光等手段制作了很多精美的艺术照片,鼓舞大家仰望星空,治好了许多人的颈椎病。下面这张照片是新华社的记者在兴隆站拍摄的,红光和绿光分别是地面站和卫星的信标光,背景是群星运动的轨迹,即“星轨”。艺术和科技结合,美不胜收!

星轨背景下墨子号量子卫星与兴隆站用信标光对准


  墨子号是世界第一颗量子科学实验卫星,科学目标包括三大实验,即星地之间的量子密钥分发、量子隐形传态和量子纠缠分发。
  2017年6月,中国科学技术大学潘建伟、彭承志等人在《科学》杂志上发表文章,宣布在国际上率先实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并以此为基础对量子力学的基本原理进行了实验检验(检验的结果,自然是“量子力学还是对的”)。2017年8月,他们又在《自然》杂志上发表文章,在国际上首次实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。至此,墨子号的三大科学目标提前并圆满实现。

量子隐形传态实验示意图


  有了以上的背景知识,你就可以看明白报道中的科学术语和技术指标了: “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。
  最后,无论是哪条技术路线,地面中继器还是卫星中继器,都是未来的量子保密互联网的重要的基础设施,就像通信网络对于互联网一样。网络的本质特征之一就是“边际收益递增”,即网络中已有的用户越多,新用户得到的好处就越大。建好基础设施,有了足够多的用户,用户的创造性就会迸发,奇迹就会创造出来,这是网络发展的一般规律。
  30年前,20年前,甚至10年前,都没有人预见到互联网今天的样子,自媒体、网上购物、移动支付等创新超越了所有人的想象。可以预期,这一幕在量子保密网络中也将重演。开创量子互联网,将是中国对世界的重大贡献。
十六、常见问题回答
  如果你关心量子信息的新闻,很可能看到过许多对这个领域的质疑和否定,以至对潘建伟等研究者的人身攻击。墨子号上天后,不少朋友拿了各种各样的批判文章来问我该如何理解。为此,我写了一些文章向公众解释,如发表在《环球时报》的《质疑科学得有科学态度》和发表在观察者网的《你见到的否定量子通信的说法,为什么是错的?》。下面列出几个典型的问题以及对它们的简短回答,想了解更多的读者可以去阅读上述文章。
  此外,最近许多媒体报道了“日本微型卫星实现量子通信”的新闻,也引起了许多人的好奇。其实这个消息是假的,日本卫星做的是常规的激光通信,不是量子通信。本节最后也简短地回答了这个问题,详情参见我的文章《日本成功进行超小型卫星量子通信实验?可是这颗卫星根本不能做量子通信啊!》。
  问:量子密码术怕干扰,所以没用。例如上海大学数学系曹正军副教授的文章《量子通讯是否真的无懈可击?》:
    (以下为引文)
  这种看似无懈可击的通信方式,实际上是以牺牲信号稳定性为代价的,一旦存在敌方的任何形式的入侵行为,不管是窃听、复制还是干扰,量子通信都将无法实现,而传统的密码体系,都是假设敌方可以获取信息,但是从计算复杂性上让敌方无法破解。
  ……现有公钥密码体制基本上依赖于两个数学难题:大数分解和离散对数。
  虽然利用利用量子计算机的Shor算法宣称在多项式时间内不仅能分解大整数,还能够求解离散对数。这也是Shor算法能够破解所有公钥密码体制的由来。但二十多年来的量子计算理论发展及实践是令人沮丧的,破解公钥密码仍然遥不可及。
  ……有些人认为在量子通讯时一旦发现了敌手就可以暂时中断通讯,等敌手消失时再恢复通讯。这种想法是错误的。密码学总是假设敌手一直存在的,如果敌手消失了,那么任何密码技术都是多余的。
  通讯的首要目的是稳定性,即接收方能够正确地恢复出发送方发送的信号。
  ……量子通讯的信号安全是以牺牲通讯的稳定性为代价的,有了敌手就干不成事的量子通讯系统最终也只能沦为一个摆设。
  (引用结束)
  答:我们首先需要搞清楚,窃听为什么会使量子密码术停止通信,然后就明白这是优点还是缺点了。
  传统的密码术不能发现窃听,而量子密码术能发现。发现窃听后该怎么办?最好的当然是把窃听者抓起来,但那是警察的任务,不属于密码术的范围。至于密码术本身,在发现窃听时唯一能做的就是停止通信。否则你打算干什么?继续传输,等着泄密吗?
  因此,量子密码术所谓的不稳定,根源是你能发现一些别人发现不了的东西。好比你用精密仪器检测出一些食物有毒,于是不吃这些食物,结果居然有人嘲笑你,说如果敌人总是给你有毒的食物你就吃不了任何东西,不检测才是好的。
  你现在可以理解,曹正军的指责是多么荒诞。你也许会好奇,在他看来什么保密方法是好的呢?看了他的全文,就会明白,他主张的还是公钥密码体制,也就是非对称密码体制。在上面的比喻中,就相当于说,你不应该检测哪些食物有毒,而应该练成百毒不侵的功夫,把所有的食物都吃下去。
  看明白了这个底牌,就会哑然失笑。问题不就在于,你没法保证百毒不侵吗?前面已经解释了,算法的进步可以破解非对称密码体制,而且说不定敌人已经破解了,你还不知道。
  曹正军的论据,是量子计算发展了20多年还没有破解公钥密码体制。但这只是一个现状,谁也无法排除将来破解的可能性。甚至就连现在已经有人能破解的可能性,都无法排除。任何懂得用发展的眼光看问题的人,都知道这种论据根本无法打消担心。用美国前国防部长拉姆斯菲尔德的语言说,最可怕的就是“未知的未知”。

拉姆斯菲尔德和“未知的未知”


  假如你现在要发一个绝密的信息,有两个选择:量子密码术和公钥密码体制。用量子密码术,你可以保证绝对不会泄密,而且如果有人窃听你就会知道。最坏的情况是有人持续不断地窃听,让你发不出去。但如果这样,你总可以换条线路,或者通知警察把窃听者抓起来。用公钥密码体制,你一定可以发出去,但要把不泄密的希望寄托在对方的计算能力不够或者没有发展出破解算法上。你觉得哪个可靠呢?
  有人也许会觉得,发不出去的损失也很大。但是别忘了,如果敌人的目标就是阻断通信,那么对传统通信同样可以阻断。破坏设备,干扰信号,办法多得是。保证通信畅通,不是密码部门的任务,而是其他部门的事。稍微想想就知道,窃密和阻断是两回事,窃密的危害比阻断的危害大得多。
  评价密码术,应该以保密性作为首要标准,然后才谈得上稳定性或其他指标。以一种密码术容易被阻断为理由,否定它在防窃密上的优点,这是本末倒置。两个密码术的比较,我说我比你更保密,你却说你比我更畅通,你不是在逗我?如果你真的认为“通讯的首要目的是稳定性”,那还搞什么密码术呢?
  一个有趣的要点是,许多人之所以觉得对量子密码术可以持续地窃听,是因为在用看待传统密码术的老眼光看待量子密码术。这是一个思维误区。
  传统密码术不知道有人在窃听,所以持续窃听是可行的。但你如果窃听量子密码术,立刻就会被通信方发现。不仅如此,量子密码术跟一些光学技术联用,还能确定窃听者的位置。然后你认为通信方会干什么?在密码术本身的范围里,他们只能停止通信。但在现实生活中,稍微想想就知道,他们还会通知警察、军队去抓人,——一抓一个准。
  前面说过,许多影视作品中有窃听者在光纤经过的建筑中布置设备窃密的情节。对于传统的通信,情报部门没有办法。但如果是量子保密通信,情节就会变了:警察立刻上门,把窃听者一网打尽。
  因此量子密码术在有敌手时不是“干不了事”,发现敌人就已经是干事了。好比侦察无人机发现敌人,不是自己发导弹,而是通知总部,让后面来的火力摧毁敌人,这不但是干事,而且干得非常好。
  站在敌人的角度想一想,量子密码术的窃听者就好比日本的神风特攻队,有去无回。不,连神风特攻队都不如。神风特攻队好歹还能跟几个敌军同归于尽,神风窃听的效果却仅仅是暂时阻塞一下通信,偷不到任何情报,自己被抓之后人家又可以通信了。性价比这么低的事,如果你是间谍,你会去干?而且你肯定会吐槽:要阻断通信应该开动大功率干扰机,为什么让我去送死?

神风特攻队


  用一位朋友的比喻说,传统的保密好比给自行车加锁,量子密码术好比在自行车旁边放个摄像头,有人偷车就会被看见。单纯“会被看见”这一点,就会给小偷施加巨大的压力,许多小偷看见摄像头就放弃尝试了。

《1984》中的名言:老大哥在看着你


  因此,用持续的窃听阻断量子密码术,看似很机智,实则是一个类似“老鼠给猫系铃铛”的主意。真正的问题是,派哪只老鼠去系?
  事实上,按照提问者的逻辑,同样可以论证“电脑不如算盘”,因为电脑运行要用电,我可以一直断你的电。同样也可以论证“互联网通信不如用人送信”,如此这般没完没了。
  量子密码术跟电脑、互联网、空间站、航空母舰一样,对使用者提出了新的要求。正常的思维方式是,你应该向前进,去满足新技术的要求,而不是因噎废食退回去。航天员和舰载机飞行员就是这么做的,航天员每次上天都冒着生命危险,舰载机每次起飞都是往海里跳,他们退缩了吗?

辽宁舰航母舰载机起飞


  量子密码术的畅通问题,不是单凭密码部门能解决的。为了保持畅通,要求其他部门在通信部门发现窃听者之后把他们抓出来,那么其他部门就应该配合去抓,这是国家的责任。而且别忘了,安全部门本来就要抓间谍,只不过以前发现不了窃听,很难抓到。现在有人给你明确报告窃听,甚至连定位都有,比以前方便太多了,这不是天上掉下来的好事吗?如果连这一点点都不愿意做,岂不是愚不可及!
  把新事物的困难想象成无穷大,对新事物的收益视而不见,是许多人的思维误区。按照这样的思维模式,就不可能有进步了。正如鲁迅在《华盖集·流产与断种》中所言:“我独不解中国人何以于旧状况那么心平气和,于较新的机运就这么疾首蹙额;于已成之局那么委曲求全,于初兴之事就这么求全责备?”
  用荒谬的评价标准否定科技进步,是对基本科学准则混淆不清,无知者无畏。科学上的严肃坦率的批评,跟由于自身智力知识水平过低而做出的信口开河式评论是不同的。——你们啊,too young,too simple,sometimes naive,还是要提高自己的知识水平!
  问:北京大学物理学院退休教师王国文写了许多文章,说量子通信的原理是错的,潘建伟是骗子。例如他的《扫谎打非:敦促潘建伟院士走出迷途》说:
  (以下为引文)
  笔者与量子打交道久长(一甲子),对量子真相探究的昔今情况比较了解,包括哲学、数学、理论和实验方面。自己漫长从容的探索也有所收获,结果可以说,还是拥护爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定谔、海森伯、狄拉克、玻恩、盖尔曼、温伯格等不承认有鬼魅隔空作用。说隔空作用存在,爱因斯坦错了,细查并无确实的实验根据。如今,眼看量子物理被曲解,科学精神被罔顾,良知被泯灭,纳税人的辛苦钱被糟蹋,有些想法越来越觉得不得不说。从物理理论和实验两方面考察,有足够理由认为:所谓的非定域关联(非定域性,隔空鬼魅作用)——“当测量一个粒子时,另一个与之关联的粒子会瞬时改变状态,无论它们相距多么遥远。”——纯属谎言,因而所谓“量子隐形传态可用于大容量、原则上不可破译(万无一失)的保密通信,也是量子计算的基础。”是无稽之谈。简而言之,量子隔空传输是巫术,多光子量子隔空传输是魔术加巫术。相信这个断言绝对经得起历史的检验,无后顾之忧,无需说等着瞧。因此,对潘建伟学术工作的评价概括为:依据的理论(teleportation理论)——荒谬绝伦,实验的路线——胡作非为,所谓的结论——肆意编造,所做的验证——虚伪假冒,所称的应用——画饼充饥。
  (引用结束)
  答:王国文文章的实质,是在没有给出任何实验证据的情况下,单凭自己的主观臆断就否定科学界公认的量子力学原理。有理不在声高,而在实验证据。像他这样自说自话重复上一万遍,也不可能改变自然规律。
  学术界无法跟王国文正常地讨论,因为只有在双方都尊重逻辑和实验证据的前提下,讨论才会有价值。他显然已经陷在自己生造的一套语言体系中了,对别人的证据完全视而不见。至于他的大字报式、充满人身攻击的文风,就更不用提了。
  最令人哭笑不得的是,王国文此文还引用了许多批判潘建伟的网民言论,作为对自己的支持:
  (以下为引文)
  网民曾怒斥潘建伟团队的八达岭-怀来的和青海湖上的光子隔空传输实验:“真够不可思议的了”,“梦想中的梦想,而且是白日做梦。”,“原理还没清楚就开始吹快要实际应用了”,“这也敢拿出来,你真以为人都傻了吗?”,“把科幻电影的剧情发到学术刊物上了?”,“假的,不可能。”,“伪科学”,“忽悠,接着忽悠。”,“国产零零七”,“骗子漫天飞,这年头儿。”,“刘谦的魔术”,“张宏宝第二”,“这项成果可以获得诺贝尔吹牛奖”,“中国又开始出新的气功大师了”,“科学家都快等价于巫师了”,“我宁可相信河南有虎,这个决不信”,“见鬼了吧”,“愚人节吗?”,“什么是扯蛋?这就是扯蛋!”,“想圈钱?”,“国家应该立案严查,绝不能让这些骗子得逞。”,“一派胡言”,“没出成果别乱吹”,“亩产万斤,画大饼,炒作。”,“看来小潘是孙悟空再世了”,“跟在教堂听的感觉差不多”,“让我觉得他就是喜欢吹牛的大忽悠”。他们像一群嚷嚷皇帝没有穿新衣服的孩子,反映华夏子民的正义感和智慧。
  (引用结束)
  请问,网民的话什么时候可以用来判断科学问题了?还“反映华夏子民的正义感和智慧”?这像是一个大学教师说的话吗?!
  问:量子通信如果这么好,为什么美国欧洲不做?是不是因为他们早就发现了这个领域没有前途?
  还有网民表示:“我不懂专业,但从朴素的感情出发,我不信中国能做出世界第一的科技贡献。”“短期内凡声称有超过美国的黑科技肯定是骗局。”
  答:谁说欧美不做量子通信?只要睁开眼看看世界,证据俯拾皆是。
  2016年5月,欧洲发表了《量子宣言》,宣布将从2018年起启动10亿欧元的量子技术旗舰研究计划。其中的第一项研发目标,就是“发展能用于密码术和窃听检测的量子中继器的核心技术,实现长距离、点对点、量子安全的连接”。
  2016年7月22日,美国国家科学技术委员会发布《先进量子信息科学:国家挑战及机遇》的报告。其中提到:
  (以下为引文)
  量子通信是目前较活跃的研究领域。其中,量子密钥分配研究近期受到广泛关注。近期,量子通信还可能应用于虚拟货币防伪和量子指纹鉴定等。远期应用方面,量子网络将连接分布式量子传感器,用于全球地震监测。未来5-10年,将开发出可靠的光子源及相关技术,实现远距离量子信息传输,并推动量子处理器间数据共享协议的相关理论研究。
  (引用结束)
  事实上,欧美正在增加对量子通信的投入,而且这在很大程度上是受到了中国飞速进步的刺激,努力要追赶中国。
  当中国落后时,许多人经常抱怨中国没有创新。现在中国领先了,这些人又认为:你怎么能走在别人前边?肯定是假的!得,中国是里外不是人,无论如何都要背锅。我不禁要请问一下,要怎么样你们才会开心呢?这是典型的失败者思维方式,自己失败就不相信别人能成功。
  问:量子技术听起来就不靠谱。
  例如潘建伟在一个科普报告中说:
  (以下为引文)
  比如说我在上海的航班延误了,但要在几分钟之内到北京,怎么办?我坐飞机肯定不行了,但是如果说北京和上海之间我有两团纠缠物质的话,我可以对上海的这个潘建伟和旁边这种纠缠物质进行一种测量,把它都变成一个个纠缠粒子,那么你会得到一组数,通过这无线电台可以把它发射到北京。到了北京之后,可以对这团物质再做一种所谓的幺正变换,就可以用同样多的物质把它给重构出来。这样一种过程,我们就把它叫作量子世界的筋斗云。当然,要传送人、传送比较复杂的客体,还需要比较长的时间。
  (引用结束)
  对此,有人嘲讽道:“潘建伟大师的终极目标是大变活人,用量子纠缠态进行隐形传输,把一个人分解了以接近光速瞬间传输到另一个遥远的地方组装,这么重大的军事价值,国家应该投资几万亿。”
  答:有了本文的基础,你就明白潘建伟在这里说的是量子隐形传态。
  科学家在媒体面前经常有一种无奈:说得专业、准确,对方听不懂;做个形象的比喻,又损失了准确性。普通人如果感到媒体上的一些表述不可思议,应该想到这可能只是一个简化的说法。他们要是给你摆出一堆数学公式和实验仪器,严谨倒是严谨了,你看得懂吗?因此,要质疑科学家,针对的应该是他们的科学著作,而不是媒体上的比喻。
  大家要想明白一个基本道理,现代科学是很不容易学会的。博士寒窗苦读十几年才掌握的知识,三言两语就给你讲得完全理解,世界上怎么可能有这么便宜的事?有时在我写的科普文章的评论区里,有人留这样的言:“你写的我看不懂,所以这个东西肯定是假的。”这脑子是怎么长的?!
  你坐汽车、飞机的时候,有没有先理解内燃机的原理?大多数人没有,只是相信专业人员而已。这是现代社会能够运行的基本前提。如果你什么都不信,那只能住到山洞里去了。
  问:2017年7月,日本信息通信研究机构(NICT)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。日本的技术是不是超过中国了?
  答:没有,这是个假新闻,日本的卫星根本没有做量子通信的实验。他们自己的论文写得很清楚,这颗卫星不能做量子密钥分发(回想一下,这是量子密码术的另一个名字,也就是很多媒体在报道“量子通信”时实际指的东西),因为每个光脉冲中包含一亿个光子。我们前面强调过,量子密码术要求用单光子,所以一亿个光子就是一亿倍的不达标。
  为什么要用这么多光子?因为他们的对准精度不够。所以,这颗卫星实际做的是常规的激光通信。他们认为他们的技术有可能用到星地量子通信上,这我们没意见。但无论如何,这项工作只能算是尝试发展相关技术,本身绝对没有实现量子通信。

特朗普怒怼假新闻


  最可笑的是,日本作者的论文中明确承认没有做量子通信,他们所在的单位NICT却在主页中睁眼说瞎话,自称实现了星地量子通信。各个媒体的错误报道就是这么来的,——谁能想到一个堂堂的国立研究机构公然撒谎啊!论文不是假论文,消息却是假消息,如此奇葩世所罕见!
  十七、结语
  量子信息领域的国际竞争,大图景如下。在量子通信方面,中国领先,欧洲和美国也投入了很多努力,在跟随中国发展。在量子计算方面,欧美领先,中国也不断做出重要的成果,最近接近了并驾齐驱。如果这两个领域相比较,整体而言量子计算的重要性高于量子通信,但离实用也更远。
  对于中国这样一个整体上处于落后位置、泄密风险十分严重的国家,量子密码术简直是上天送来的礼物,应该以最高的优先级发展。如《孙子兵法》所言:“先为不可胜,以待敌之可胜。不可胜在己,可胜在敌。”好比在冷战时期,美苏追求的是全球霸权,而中国追求的首先是保住自己,所以美苏的上万件核武器都不能达到目标,而中国的有限核威慑就足以达到目标。
  墨子号量子卫星的发射和量子通信京沪干线的建设,标志着中国的量子通信接近了产业化。自从人类进入近代社会以来,这是第一次由中国创造一个新的产业。我们在许多产业做到了世界第一,例如高铁、电信、超算,固然都很了不起,但这些产业都是别人开创的,我们是在别人的框架里后来居上。只有量子通信,在国际上是没有先例的。这个中国首创的产业是一座里程碑,历史意义十分重大。
  中国在农业社会的时间太久,太多人以四平八稳随大流为美德,甚至在别人做出成果后还要千方百计地去诋毁谩骂,这种文化必须改变。鲁迅在《热风·随感录四十一》中说得好:“愿中国青年都摆脱冷气,只是向上走,不必听自暴自弃者的说话。能做事的做事,能发声的发声。有一分热,发一分光。”
  创新不只是科技人员的事,全社会民众都应该参与进来,建立推崇创新、奋发有为的文化。中国的发展已经到了以科技创新为核心的阶段,现在一切条件都远胜从前,只要发挥主观能动性,有什么能阻止你为天下先呢?
  愿这大时代,点亮你心中的梦想!
  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
  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、陈腾云博士、彭新华教授、陆朝阳教授、张强教授、张文卓博士和清华大学交叉信息研究院尹璋琦博士、物理系王向斌教授在科学内容方面的指教。
  《科学大家》专栏投稿邮箱:sciencetougao@sina.com  来稿请注明姓名、单位、职务
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