科學也可以如此靠近

如何鑑別民科:一個量子信息的例子 | 袁嵐峰

5月
11
2018

2018年5月11日16時 今日科學 風雲之聲

風雲之聲

關注風雲之聲提升思維層次

解讀科學,洞察本質

戳穿忽悠,粉碎謠言

導讀

民科最大的問題並不在於知識的欠缺,而在於思維方式的偏執。王令雋問的那些問題,《人民日報》都早已明確地回答了,他不看,難道我還能硬拽著他去看嗎?我告訴你A是A,此人說有人說A是B,然後煞有介事地論證半天A不是B,而是C,你讓我怎麼辦?

大家都知道,2016年8月16日,中國發射了世界第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」。

「墨子號」量子衛星發射

有許多媒體來採訪我,我告訴他們,這門學科叫做「量子信息」。後來我寫了不少量子信息的的科普文章,其中最系統的叫做《你完全可以理解量子信息》(http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml)。許多讀者都從這篇近4萬字的文章中,獲得了對這個學科的比較深入的了解。據讀者反映,此文很容易讀懂,可以說是很通俗了~

一個真誠的微笑

也正是因為我寫了不少量子信息的科普文章,於是乎,我意外地發現自己成了一個謠言收集站,不時地有朋友發來各種各樣攻擊量子信息的民科文章,問我怎麼看。昨天早上(2017年12月13日),又有一位朋友發來這樣一篇,叫做《從大躍進體到嚇尿體》(https://mp.weixin.qq.com/s/9Icg-e3QzpoZsB_GpbJMxQ)。

我的內心是崩潰的,於是問這位朋友:你看不出這作者是個民科嗎?

我的內心是崩潰的

回答:我還真看不出他是民科,因為不太懂。

我問:我寫了那麼多解釋量子信息是什麼的文章,你都沒看嗎?

回答:看了個開頭,太長了就沒看下去。

%¥#@!那你怎麼有空看這種民科文章的?

回答:我是在其他群里看見的,並不是特意去看。看到它的閱讀量比較高,就轉給你看看。

……

好……吧!看來鑑別一個作者是不是民科,並不是一個大多數人都掌握的技能。從這個角度去想,這篇文章倒是提供了一個現成的例子,我就來解剖一下這隻麻雀,告訴大家,你可以怎樣鑑定民科。

我要傳達的最重要的信息是:在很多情況下,你並不需要對相關的科學問題非常了解,就足以確認民科了。實際上,百度一下就會發現此文的作者王令雋是一位資深民科,致力於反對相對論、反對量子力學、反對量子場論,但我在此之前,單純通過看這篇文章,就知道了他是一位民科。

為什麼呢?因為民科最大的問題並不在於知識的欠缺,而在於思維方式的偏執。

知識欠缺並不可怕,所有的學生都走過這個階段。只要你的態度端正,用心去學,任何看似艱深的知識都是可以學會的(當然還要有足夠的天資,這是個重要的條件……)。

民科最大的問題,在於知識欠缺卻不願意去學習,寧可自己胡思亂想一套。在這方面,民科諸公的「創造力」是驚人的,每一位民科都創造出了一套自己的語言體系。這套語言體系只有他自己能理解,只有他自己用,其他人都無法理解,包括其他的民科。

我們經常開玩笑說:用不著讓「官科」跟民科去辯論,只要建個「民科研究院」,讓民科先生們在裡面切磋,他們互相就要打破頭。同樣是反相對論的,每一個人都有自己的反法,每個人都不會同意別人的說法,每個人都想獨占「推翻相對論」的榮譽。

看到這種「盛況」,你才會理解真正的科學的可貴,因為科學是一套普遍的語言體系,任何真正學過的人都能在相同的意義上使用它。即使語言不通,不同國家的科學家們都可以通過連說帶比劃,加上在黑板上寫公式和畫圖,達成有效的交流,得到可驗證的成果,這就是科學的力量。科學是真正的「普世價值」。

在《從大躍進體到嚇尿體》(https://mp.weixin.qq.com/s/9Icg-e3QzpoZsB_GpbJMxQ)這篇文章中,王令雋先生攻擊了很多東西。其他的在這裡就不提了(也都充滿了民科範兒),我們只談他對量子信息的攻擊。這篇文章的特色是,他對量子信息提出了許多氣勢洶洶的質問。例如這段:

比如說,「世界第一個量子通信衛星」,要說是世界第一個也對,因為潘建偉的老師或者其他團隊沒有能夠說服有關單位把實驗設備放到衛星上去。可是潘建偉遊說成功了。但是,把設備搬到衛星上並不意味著實現了天地之間的所謂「量子糾纏隱形傳態通訊」。中國發射衛星幾十年了,不是第一次。如果有一個特異功能大師坐上宇宙飛船到太空走一遭,是不是就可以呼叫口號「中國人第一次實現了太空特異功能」?用中國人造衛星的成就為自己的科研項目抬轎子,打知名度,贏得對自己項目的輿論與經費支持,正說明了項目主持人的心虛。別老是吹噓一些沒用的,你先實現了簡單的空地通訊以後再說。我對通訊的要求非常簡單:只要潘建偉團隊能夠用你們的「量子糾纏」設備傳遞極簡單的話,比如「泰山泰山,我是黃河!」我就承認你們成功了。而且我還不苛求要達到衛星與地面站的通訊,只要你們能夠在直升飛機與地面站之間實現通訊,就算你們成功。我還不要求超光速通訊,能達到普通的光速通訊就是成功。

又如:

至於說潘建偉「世界第一個製造出量子計算機」,我還是第一次聽說過。對此,我的檢驗標準也很低。我不指望潘建偉能製造出比現在威力最強大的電腦還要強大幾千萬倍的量子計算機,只要潘建偉能夠造出一個功能可以與大媽去超市買東西時使用的只有四則運算功能的小計算器相比,我就算他成功了,而且我還不要求你的量子計算機是袖珍的。體積大些沒關係,比如說,像北京體育館的水立方那麼大也行,只要能做簡單的四則運算就行。慢點也沒關係。

他的基本意思是:你的成果在哪兒?我看不到啊。然後就以此為基礎,大談他如何揭穿了騙局。

問題在於,潘建偉團隊的成果,科學期刊和新聞媒體早就報導了。人家做了什麼,都說得一清二楚,是他自己不去看。他不看,難道我還能硬拽著他去看嗎?

例如對於墨子號如何實現通信,2017年8月10日的《人民日報》有一篇報導《「墨子號」,搶占量子科技創新制高點》(http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2017-08/10/nw.D110000renmrb_20170810_1-06.htm),裡面說到:

「量子密鑰分發實驗採用衛星發射量子信號,地面接收的方式。『墨子號』量子衛星過境時,與河北興隆地面光學站建立光鏈路,通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上,星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級(萬億億倍)。衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子,一次過軌對接實驗可生成30萬比特的安全密鑰,平均成碼率可達1千1百比特每秒。」

這段話中關鍵的信息是,衛星和地面站過軌對接一次,就可以生成30萬比特的密鑰,平均成碼率可達1100比特每秒。為什麼呢?因為量子保密通信的核心技術,就是生成密鑰。

有了密鑰之後,你用這個密鑰把跟它同等長度的明文加密成密文,這個密文就是絕對不可能被數學方法破譯的,你有再強的計算能力也不行。這是資訊理論中的一個定理,是資訊理論的創始人克勞德·香農(Claude E. Shannon)證明的。

香農

既然密文不可破譯,下面你再怎麼傳輸密文,就完全無所謂了,你愛怎麼傳怎麼傳。可以在衛星和地面之間用雷射直接傳輸,可以用光纖,可以用電報,可以用電話,可以用電子郵件,甚至用平信都行。這一步沒有任何特別的,就是傳統的通信。

墨子號成功產生了密鑰,就意味著它已經可以傳遞信息了。只要你願意,用30萬比特的密鑰加密任何30萬比特的明文,然後用任意的方式傳送密文,都是可以的。所以任何懂行的讀者都承認墨子號實現了量子保密通信,這篇論文也才能發表在國際頂級學術雜誌《自然》上。王令雋先生連這個基礎知識都不知道,還在那裡問能不能傳「泰山泰山,我是黃河!」,不覺得丟人嗎?

實際上,如果你願意,還可以用30萬比特的密鑰加密比30萬比特長得多的明文,然後用任意的方式傳送密文。這樣安全性會下降一些,因為不等長加密有可能被數學方法破解。不過如果你的信息沒那麼絕密,這種方法至少給你提供了一種傳送大量數據的選擇。

2017年9月29日,在世界第一條量子保密通信專線「京滬幹線」開通的新聞發布會上,中國科學院院長白春禮通過墨子號與奧地利的地面站,與奧地利科學院院長安東·塞林格(Anton

Zeilinger,潘建偉的博士導師)進行了世界首次洲際量子保密通信視頻通話。在這裡用的,就是墨子號產生的量子密鑰以及不等長加密。你覺得他們的通話內容,是不是比「泰山泰山,我是黃河!」多得多呢?

中國科學院院長白春禮(電子屏右側)在現場通過「墨子號」量子科學實驗衛星,與奧地利科學院院長安東·塞林格(電子屏左側)進行世界首次洲際量子保密通信視頻通話

你也許會問:我們平時也經常用密鑰,量子密鑰跟平時用的密鑰有什麼區別?回答是:傳統的密鑰都是預先產生的,然後人工去傳遞。傳遞密鑰可是出生入死的勾當,難度係數槓槓的,要不然,諜戰片里的李玉和、余則成等人哪來那麼多可歌可泣的故事?

李玉和

量子密鑰的來源,卻完全不同。它不是預先就有的,而是通信雙方通過一系列的量子力學操作(在墨子號的實驗中,是通過衛星發射單個光子,地面站接收和測量單個光子),現場產生出來的。這一系列操作的結果,就是雙方都有了一串相同的隨機數(比如說010010111100……)。最奇妙的是,你不用看對方的數據,就能夠確認對方的隨機數序列跟你手裡的隨機數序列是完全相同的!所以,這段隨機數序列能夠作為密鑰。李玉和同志,不需要你送密電碼了,你可以轉崗了!

你如果還想問:為什麼會這樣?回答就是:這是量子力學的特性決定的。

如果你想知道是什麼特性,那就是:「在一個基組下測量一個量子態,如果這個態是這個基組中的一個態,那麼測量後這個態必然不變;而如果這個態不是這個基組中的一個態,那麼測量後這個態必然改變。」

你如果還想問,上面這段話是什麼意思,以及量子密鑰具體是怎麼產生的,那麼我的萬應回答來了:請參見我的文章《你完全可以理解量子信息》(http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml)。你如果真的對科學問題感興趣,就請好好看正經的科普文章,這比看一百篇民科文章要有用得多。

實際上,上面這幾段,顯示了你跟正規的科學界人士交流的基本模式。你提一個問題,得到一個簡短的回答。如果你想了解更多,那麼他會告訴你一個較長的回答。如果你還想了解更多,那麼他會告訴你參考文獻,讓你系統地去學習。

總之,就是每一層次的問題都有相應的回答。最初的一句話背後,可能有十句話、一百句話、一千句話在作後盾。也許你一開始只是想問一個問題,但如果你一路問下去,最終回答者會把整本教材端上來。

這也是科學家信心的來源,因為他們說每一句話的時候,都知道自己實際的意思是什麼,能用哪些數學公式表示,能用哪些實驗驗證。

而民科就不一樣了。一開始他們可能會顯得侃侃而談,好像知道很多的樣子,但稍微多問一點,你就會發現他們說來說去總是那一套,他們自創的語言體系。這時候你就知道不用跟他們交流下去了,因為這些人已經陷在自己的世界當中了,極度的自大遮蔽了他們的視線,扭曲了他們的思維,再跟他們多談只是浪費時間。

再來解釋一下王令雋對量子計算機的問題。他說「至於說潘建偉『世界第一個製造出量子計算機』,我還是第一次聽說過」。實際上,正規的新聞說的本來就不是潘建偉團隊製造出世界首台量子計算機(因為對於什麼是真正的量子計算機,沒有公認的定義),而是世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機(這是一個有明確意義的概念)。

例如2017年5月4日的《人民日報》,第一版報導了短訊《世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機在中國誕生》(http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2017-05/04/nw.D110000renmrb_20170504_5-01.htm),裡面說「相關報導見第十二版」(可見對這條新聞有多重視了)。在第十二版的詳細報導《量子計算機,開啟中國速度》(http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2017-05/04/nw.D110000renmrb_20170504_1-12.htm)中,說得很清楚:

「實驗測試表明,該原型機的『玻色取樣』速度不僅比國際同行類似的之前所有實驗加快至少2.4萬倍,同時,通過和經典算法比較,也比人類歷史上第一台電子管計算機(ENIAC)和第一台電晶體計算機(TRADIC)運行速度快10-100倍。」

如果你還是看不懂,我再來解釋一下。量子計算機不是對任何問題都比經典計算機算得快,而是對於一些特定的問題比經典計算機算得快。也就是說,如果你問的問題不對,那麼量子計算機沒什麼用處,而如果你問對了問題,量子計算機就可以給你帶來革命性的進步。

在這個工作中,這個特定的問題叫做「玻色取樣」。在這個問題上,潘建偉團隊的光量子計算機超過了最早的經典計算機ENIAC和TRADIC。這是第一次有一台量子計算裝置在一個問題上超過了經典計算機(即使是最早的經典計算機),所以科學家們都公認這是一個重大的成果。至於王令雋問的「大媽去超市買東西時使用的只有四則運算功能的小計算器」,量子計算機本來就不是用來幹這種事的,沒有人把它作為研究的目標。

如果你還想了解更多,那麼又是我的萬應回答:請參見我的文章《你完全可以理解量子信息》(http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml)。你如果真的對科學問題感興趣,就請好好看正經的科普文章,這比看一百篇民科文章要有用得多。

所以你看,王令雋問的那些問題,《人民日報》都早已明確地回答了。放著權威報導不看,自己腦補一通,然後煞有介事地分析一番,論證自己是個天才,這是一種什麼精神?這就是民科的典型行為方式。

王令雋批判的那種「世界第一個製造出量子計算機」的說法,來自哪裡呢?據此文說,是網易上一篇「馮站長之家」的文章,題目是《痛心!這位中國科學家,創五個世界第一,是中國離諾貝爾最近的人,卻被同胞如此質疑……》(https://3g.163.com/dy/article/CSTKK0E00514ABQL.html)。好吧,專業人士一看就知道,這位馮站長科學水平不高。無論如何,沒有人會把馮站長的說法當成權威說法,——你會嗎?

請問:如果在《人民日報》和馮站長之間選擇,你更重視誰?

正常人的回答都會是:《人民日報》。(《人民日報》:這是我被黑得最慘的一次!)

這是我被黑得最慘的一次!

可是王令雋先生卻放著《人民日報》不讀,揪著馮站長大戰,這是搞什麼鬼?

回到開頭。所以我在看到這位朋友發來王令雋此文後,不禁問他:

我告訴你A是A,此人說有人說A是B,然後煞有介事地論證半天A不是B,而是C,你讓我怎麼辦?

我也很絕望啊

背景簡介:本文作者為袁嵐峰,中國科學技術大學化學博士,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員,科技與戰略風雲學會會長,微博@中科大胡不歸,知乎@袁嵐峰()。本文2017年12月15日發表於「中國科普博覽」()。

出品:科普中國

製作:中國科學技術大學袁嵐峰

監製:中國科學院計算機網絡信息中心

「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。本文由科普中國融合創作出品,轉載請註明出處。

責任編輯:孫遠

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