量子通讯和量子计算机是基于什么原理是科学突破还是惊天骗局 - 币圈消息

量子通信和量子计算基于的都是量子力学原理。量子力学是现代物理学最重要的理论基础，没有之一，相对论只能排第二。量子力学诞生于20世纪20年代，历经近一百年，已经深深地影响了人类文明进程，除了彻底改变了物理学之外，在技术上已经深入到人类生活方方面面，以量子力学为理论基础发明的半导体集成电路，激光器，磁存储介质等，是信息革命的源泉，是我们今天能使用到电脑，手机，互联网的根本原因。
如果说量子力学在第一次信息革命中的角色还是幕后的大boss，那么量子通信和量子计算机就相当于让这个boss走向前台，开启第二次信息革命。网上一帮人口口声声“惊天骗局”，实际上都是对现代物理学的无知造成的。没有常识的人太多了，就跟现在仍然有人认为阿波罗登月是惊天骗局一样，还有人认为生物演化是惊天骗局，更夸张的是还有一帮人认为地球是球也是惊天骗局，搞出一个奇葩的“地平说学会”。
最后回答一下量子通信中量子密钥的问题。请记住，目前实用化的量子通信，即量子密钥分发，并没有用到量子纠缠，而是采用的单个光量子的传输和测量方案，就是著名的BB84协议，由美国物理学家Bennett和加拿大密码学家Brassard在1984年提出。当然纠缠本身也可以用来传密钥，即E91协议，但是效率比BB84协议差很多，并没有实用化，而这里密钥恰恰是需要通过测量破坏纠缠的那一刻生成的。量子纠缠体系如果存在外界相互作用就回有一定的概率被破坏，这种破坏掉的就需要把它舍弃掉，不用它来传密钥，只用那些没破坏的来传，这也是限制E91协议效率的一个重要原因。量子纠缠未来真正的用武之地是传输量子比特，为量子计算机之间通信用，也是需要先生成再接触纠缠这个过程，才能够传输量子比特。
日本卫星量子通信实验成功，你怎么看对这个问题我有一个真正专业的回答，而这个回答会让绝大多数人眼镜碎一地：日本的卫星根本没做量子通信实验，更谈不上成功了！这是个假消息！用川普的话说，fake news！


你的第一反应肯定是：那他们的论文是怎么回事？

回答是：日本作者在《自然·光子学》上的论文（Nature Photonics, DOI: 10.1038/NPHOTON.2017.107）是真论文，但他们自己宣传的“成功进行微型卫星量子通信实验”是假消息，因为在论文里，他们就明确地说明了自己做的不是量子通信的实验。

请看论文原文：
“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.”
我来翻译一下：
“为了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，见表1），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？回答是：
“量子密钥分发”是“量子通信”中唯一已实用化的技术，做不了量子密钥分发就意味着做不了量子通信。
所以，论文中这句话的要点是什么呢？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。
那么，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，这是一亿倍的不达标啊！
为什么要用这么多光子？因为从卫星到地面的信号衰减很严重，星地之间的对准又是“粗略的”，发射单个光子收不到，只得增加信号源的强度，——但这样也就完全没有量子通信可言了。
光子数超过一个，对于量子通信有什么危害？回答是：一，量子密钥分发的目的是保密通信。二，如果用单光子源，就可以保证窃听者偷不到任何信息。三，如果发射的光子数多于一个，原则上窃听者就可以只放一个光子过去，把其他的光子拦截下来，这样就可以窃密。
那么中国的墨子号实现量子通信了吗？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精确的星地对准技术，以及用“诱骗态协议”实现了等效的单光子源（详细解释见本文附录）。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！
星轨背景下墨子号量子卫星与兴隆站用信标光对准
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-ground quantum-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）。请看，标题里没有说“量子通信”，他们用的是“量子极限的通信”，——这个说法看起来是他们发明的，没有其他研究者用。
再来看此文的引言。
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。所有的量子通信研究者都是这么说的。
然后说，最近中国发射了一颗600公斤的量子通信卫星，而如果能用小型的、廉价的卫星实现量子通信，就太好了。好，没问题，——但是令人大跌眼镜的是，后文中却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说那么多干什么？从来没见过这么写科学论文的！
这是我见过的最奇怪的论文之一！
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，——他们说的是“量子极限的通信”这个自创的模糊的概念。
那么为什么媒体会说他们实现了量子通信？来源是这群作者所在的日本信息通信研究机构（National Institute of Information and Communication Technology，简称NICT）在自己主页上发的消息（/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）。记者看不懂如此专业的科学论文，自然是他们说什么就是什么了，然后传得满世界都是。
这篇文章如果说有科学价值，那是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。所以虽然他们在论文中老老实实承认自己做不了量子通信，但在NICT的报道中，却老实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了。论文不是虚假论文，消息却是虚假消息，如此奇葩前所未见！
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。但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、拙劣的碰瓷、科学界少见的荒诞剧。
顺便说一句，这颗卫星的名字是SOCRATES，这个词其实就是伟大的古希腊哲学家苏格拉底。有一位著名的巴西足球运动员也叫这个名字，因为他的父亲很崇拜苏格拉底。看起来现在很流行用古代思想家来命名量子卫星？墨子发来贺电。为了凑成这个首字母缩写词，日本作者们把卫星的全名写成Space Optical Communications Research Advanced Technology Satellite（空间光学通信研究先进技术卫星），也是够拼的。可惜媒体在报道中只给出了英文缩写，没有指出这个名字的玄机，真是明珠投暗。
日本的微型通信卫星“苏格拉底”（来自NICT主页，注意不是微型量子通信卫星）
总结一下：星地量子通信的难点在于单光子的发射和探测，“苏格拉底”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，NICT的作者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，宣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或者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。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。”
国际著名的量子信息理论专家、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。
玩具飞机
我的同事、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。然而后来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。Masahide Sasaki先生也算知错就改，现在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。
有一个“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，即使NICT这群作者如此努力地刷存在感，大家也不会关注他们的这个工作。好吧，如果这算个好消息的话……
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