Tiny satellite sets new record for secure quantum communication
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欢迎回到《自然》播客。本周，我们将讨论一颗用于超安全量子通信的微型卫星。以及如何为人工智能提供有益的反馈。我是 Sharmini Bandel。我是 Nick Pachaciao。

由于《自然》杂志上的一篇新论文展示了一种可以利用量子物理奇特现象的微型卫星有效载荷，因此远距离超安全通信可能更近一步。这将是迈向实用量子网络的一步。我对未来实现量子网络非常乐观。这是 Jianwei Pan 的话，他是这篇新论文的作者之一。

现在，量子网络将是许多量子设备相互连接的网络。由于量子物理的奇特性，这些设备能够以非常安全的方式进行通信。您可以看到，可以使用所谓的量子密钥对数据进行加密。这依赖于粒子的量子态，它可以表示 1、0 和介于两者之间的某种状态，即 1 和 0 的叠加。

某人可以使用此密钥加密其数据，然后将密钥发送给其他人以允许他们解密它。这称为量子密钥分发。这种量子通信方法之所以如此安全，是因为密钥的量子特性。

您可以看到，每当您测量量子态时，它都会受到干扰。因此，任何试图弄清楚密钥是什么样的窃听者都会留下痕迹。因此，窃听过程将不可避免地引入一些噪声。因此，如果噪声超过某个阈值，我们就知道密钥不再安全。实现这样的安全量子网络将具有许多应用，但它们很难制造。

在他们的工作中，Jianwei 和他的团队正在将一个密钥以处于叠加态的光子流的形式从一个位置发送到另一个位置。但这本身也很棘手。主要困难之一是如何在远距离传输如此脆弱的量子态。如果您要通过用于互联网服务的那些光纤电缆发送这些光子，那么许多光子都会丢失。

事实上，Jianwei 估计，如果您要在 1000 公里的距离内这样做，那么每 250 年只有一个光子能够从一端到达另一端。等待消息的时间可能太长了。为了克服这个问题，Jianwei 将目光投向了天空，试验了使用激光在太空中的卫星和地球上的地面站之间发送量子密钥。

由于空间是真空，因此光子损失很少，因为几乎没有什么东西可以撞击它们。作为一项原理验证，Gemway 和一个研究人员团队在 2016 年发射了一颗能够接收和发送量子密钥到地面站的卫星。

但他们的设置有其缺点。卫星非常大，有效载荷超过几百公斤。地面站的重量也达 13 吨。所以它非常非常大。

因此它没有实际应用，因为没有人会在家里安装重达 13 吨的东西。然而，这篇新论文表明，缩小规模是可能的，它描述了一种可以装载到仅重 23 公斤的卫星上的设备。其相应的地面站也小得多，重量仅为区区 100 公斤。

因此，我们确实试图大幅降低成本，并将卫星的重量降低一个数量级。

对于地面站也是如此，我的意思是我们将地面站的重量从 13 吨减少到不到 100 公斤。所以这是一个两个数量级的改进。为了实现这一点，团队对设计进行了两个关键更改。首先，他们将发送光子的激光与有助于控制光束的技术相结合，这在以前是两个独立的设备。

其次，他们集成了确保卫星能够跟踪地面站的技术，以及控制卫星指向方向的另一个系统。因此，通过这两个重大改进，我们成功地真正减轻了有效载荷的重量。这些变化也使系统便宜得多。Jamway 估计，它的成本只有大约 100 万英镑，而之前的版本则为 1400 万英镑。

有了这个，他们能够将一个超安全的消息从他们的地面站发送到他们简化后的卫星，然后发送回他们在南非的合作者的基站，距离他们约 12900 公里，这是量子通信发送的最远距离。

至于那条秘密信息的內容……我们并没有真正发送秘密信息。我们只是发送了一些文本，一些数字等等。事实上，除了其他内容外，该团队还发送了一张中国长城的照片。也许不是最高机密。但原则上，这种通信方法将允许任何使用它的人发送消息，而无需担心窃听者。

通过使卫星和地面站更小、更便宜，创建量子通信网络变得更加实用。

《自然物理》记者 Lizzie Gibney 撰写了一篇关于这篇新论文的新闻文章，她让我了解了物理学家的反应。是的，他们很兴奋。卫星参与的想法是您可以连接世界上的任何两个点，但要做到这一点，您需要拥有可以去任何地方的地面站。所以现在是 100 公斤，这实际上是便携式的，而以前是许多吨。

所以人们告诉我的是，是的，这似乎是一个里程碑，是朝着实际拥有连接整个地球的量子网络迈出的一步。但是要建立一个全球量子网络，还需要几步。首先，目前的卫星连接到

地面站的频率有限。这颗卫星绕地球旋转，因此它每天只在头顶停留大约一两个小时，因此您的通信受到限制。

因此，您需要在空中建立一个卫星网络，一个星座，以便持续覆盖，或者您需要一颗位于地球静止轨道上更高位置的卫星，在那里它随着地球旋转而永久地位于您的上方。Jamwe 和他的团队计划在 2026 年发射四颗新的微型卫星。在 2027 年，他们还计划发射一颗地球静止轨道卫星，以建立这样一个网络。

如果一个完整的网络覆盖全球，使用卫星或任何其他正在探索的技术，它将使人们能够极其安全地进行通信，这可能对隐私有利，但也可能用于军事应用等其他目的。

坦率地说，这是完全可能的。而且，你知道，我们还没有看到美国推出量子卫星，但那是我们所知道的。因此，其他国家完全有可能在幕后进行此类活动。

我们至少知道关于张伟潘小组在这里发生的事情是，他们正在发表相关信息。他们对正在发生的事情非常公开，并且他们谈论它对隐私和商业应用有用。因此，银行、政府可以使用。

例如，像瑞士这样的地面网络已经被用于确保其选举的公平性和安全性。Jamway 认为，发送消息的内容实际上取决于发送消息的人。他说，隐私是一项人权。

他还认为这项技术依赖于国际合作，这是一种将人们聚集在一起的方式。我的意思是，我们非常开放。不时地，我们所有来自国外的客人真的可以看到我们的实验室，可以拍照等等。所以我仍然相信，我的意思是，是的。因此，国际合作对于量子信息技术的未来非常重要。

对我来说，量子信息技术将造福全人类。这是来自中国科学技术大学的 Jiang Wei Pan 的话。您还听到了《自然》杂志的 Lizzie Gibney 的报道。有关该故事的更多信息，请查看节目说明以获取 Jiang Wei 的论文和 Lizzie 的新闻报道的链接。接下来，我们将介绍一种通过向人工智能提供来自另一个人工智能的书面反馈来改进人工智能的新方法。现在，是时候与 Dan Fox 一起了解研究亮点。

如果时机合适，被称为大气河流的强大风暴可以补充格陵兰岛正在消失的冰盖。大气河流是大气中狭窄的水汽流。当它们到达陆地时，它们会以暴雨或降雪的形式释放水分。

在格陵兰岛，来自这些河流的极端降雨会加速格陵兰冰盖的融化。但是当温度足够低时，河流会产生可以补充冰盖的积雪。研究人员观察了在格陵兰岛东南部收集的一个冰芯，其中包含 2022 年 3 月由其中一条大气河流倾泻的一层积雪。

分析表明，这场风暴带来了超过 110 亿吨的积雪，因此冰盖当年的质量损失比如果没有这场风暴，由于气候变化的影响而造成的损失减少了 8%。额外的积雪也使冰盖的反照率更高，将融化季节的开始推迟了 11 天。您可以在《地球物理研究快报》中完整阅读该研究。

一种创新的假肢手几乎可以像人的手一样通过触觉区分各种物体。人的手结合了刚性和柔软的解剖结构，可以毫不费力地抓握和识别形状、纹理和重量不同的物体。但是假肢通常缺乏真实肢体的混合结构，这使得它们难以轻松执行这些任务。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种假肢手，它将刚性内部骨骼与柔软的机器人关节结合在一起。该设备具有三层触觉传感器，灵感来自人体的皮肤层，并且可以使用人的前臂肌肉进行控制。这只新假肢手可以安全地抓握从毛绒玩具到金属瓶的 15 件日常用品，并且可以以接近 100% 的准确率将它们区分开来。

而且假肢可以以超过 98% 的准确率正确区分纹理，超过了其他机器人手指。在《科学进展》中了解这项研究。接下来，记者 Adam Levy 将解释人工智能如何改进自身。我很想假装我第一次就完美地制作了这个播客片段，我提交了它，根本没有改进的空间。

但让我们现实一点，事情并非如此。我提交了它，然后我的编辑，谢谢 Nick，告诉我所有可以使这篇文章更好的地方。然后我尝试做所有这些事情，尽管我不愿承认，但 Nick 的反馈最终确实使我的工作变得更好。这就是为什么反馈很重要，这样我们才能改进我们的工作。

对于人工智能的工作来说，这一点同样重要。但是，人工智能系统越复杂，就越难做到这一点。ChatGPT 和其他人工智能系统拥有数十亿个参数，这些参数基本上编码了它们的所有知识。许多尖端系统都是由几个相互作用的组件构建的。

所有这些都使得很难自动化这种反馈，以便人工智能可以向另一个人工智能提供反馈并改进其结果。在本周发表在《自然》杂志上的一篇论文中，James Tso 和他的同事们创建了一个名为 TextGrad 的新工具，该工具使用一个人工智能通过有效地与之交谈来向另一个人工智能提供反馈，就像 Nick 与我交谈以改进这段引言一样。

为了更好地理解他们是如何做到的，我打电话给 James，问他为什么优化现代人工智能系统如此具有挑战性。因此，在过去 15 到 20 年中，优化人工智能的标准方法实际上是使用一种称为反向传播的单一算法。

反向传播的主要思想是，您基本上希望将我们所说的数值信号或数值梯度从模型的一部分传递到下一部分。事实证明，这种方法不再适用于许多当前的生成式人工智能系统。如果我是 chat CPT 的用户，我实际上不能很容易地更改所有这些数十亿个参数。

第二个主要障碍是，像 ChatGPT 这样的生成式 AI 模型实际上可以使用外部工具，对吧？例如，您可以拥有使用 Google 搜索引擎的 ChatGPT。

我实际上无法进入优化 Google 搜索引擎。谷歌不会让我这样做。因此，在本周的《自然》杂志上发表的一篇论文中，您正在发表一种优化人工智能工具的替代方法。您能否概述一下此工具背后的基本思想？我们提出了一种新的、非常通用的框架，用于通过基本上通过人类语言反馈来优化所有这些生成式人工智能系统。

当你说我们正在使用人类语言并基本上与这些人工智能系统聊天时，

这是一个人在做这件事吗？究竟是谁或什么东西在提供反馈？提供反馈的不是人。我们基本上依赖于另一个大型语言模型来提供这种反馈。然后发生的事情是，您有一个正在执行某些任务的第一个 AI 系统，以及一个第二个 AI 系统（例如大型语言模型），它会查看反馈。

第一个 AI 的性能及其输出，然后提供一些评论。我们可以将此视为 AI 自我改进的一种方式。您开发的这个工具 TextGrad 最初是如何知道要提供什么反馈的？它实际上是如何评估 AI 系统的工作好坏的？事实证明，提供批评通常比解决问题更容易，对吧？我们在人类任务中看到了这一点，但这对于 AI 算法也是如此。

因此，我们发现当前的 AI 大型语言模型实际上非常擅长提供这种批评。让我们来看看这个工具的一个特定应用，也许是最有形的应用，即癌症的放射治疗。好的治疗应该向目标区域提供足够的辐射，同时保护周围区域免受辐射。

您能否介绍一下 TexGrad 如何改进 AI 系统对放射治疗的结果？设计这些放射治疗方案实际上非常具有挑战性。

以标准方式，临床医生通常必须手动调整某些参数以尝试平衡这种权衡。在这种情况下，TexGrad 的作用是它实际上会查看建议的放射治疗方案。它实际上会提供一些反馈，例如，您可能在这个器官中获得了过多的辐射，并且您应该通过这样做来减少该区域的辐射。然后，这种以自然语言形式的反馈会回到什么

生成放射治疗方案的算法以对其进行优化。我们发现，通过这样做，使用 tax grads，我们可以实现相当好的效果，有时甚至与临床医生优化放射治疗方案一样好，从而最大限度地减少副作用。当你说它使用自然语言时，它是否以你刚才向我表达的相同术语来表达？完全正确。是的。

这是算法生成的逐字文本。因此，它表示直肠和膀胱的当前权重相对较低，不足以保护这些器官免受过量剂量的辐射。这样做的好处是，首先，像 Chachbi 这样的其他大型语言模型很容易理解这种反馈。

但对于我们自己这样的人类研究人员和临床医生来说，查看这种反馈并说这是否合理也很容易。而如果我只是看到一大堆数字，我很难理解发生了什么。现在，你在这里解释的方式听起来非常直观。这些 AI 系统使用自然语言。因此，使用自然语言向他们自动化反馈。

那么为什么以前没有这样做呢？从本质上讲，我们必须做的是创造我们所说的语言演算。我们在学校学习的微积分，是传统反向传播算法的根本基础。

因此，当我们必须用这些文本梯度替换这些数值梯度时，我们实际上必须创建一个新的文本演算，您可以在其中取一段文本反馈，将其分解成两段或更多段单独的反馈，这些反馈针对 AI 系统的各个组件来分别更新每个组件。现代人工智能系统的一个，我认为是，最伟大的成就之一，就是它们的应用有多么多样化。

您能否说明您已经应用 TexGrad 来提供反馈的应用的多样性？在我们的论文中，我们还展示了如何使用 TexGrad 来设计具有良好药物特性的新分子。

我们还展示了如何使用 TextGrad 来优化其他 AI 代理，以及如何改进问答和编码任务。作为一名研究人员，看到 TextGrad 在所有这些非常不同的系统中工作，这对您意味着什么？

我认为这非常令人兴奋。在许多方面，我认为这对作为一名研究人员的我来说也是非常发人深省的。以前，优化机器学习算法需要大量的人工工程和人类智慧。

但是有了 TechSquad，现在人工智能实际上能够在很大程度上自我改进。我认为这确实为解决越来越难的问题开辟了许多非常令人兴奋的可能性。实际上，TechSquad 是开源的。人们一直在谈论获得人工智能系统方面的不平等以及在世界不同地区开发这些系统的能力。

像这样的开源工具能否在任何程度上公平竞争？这确实是促使我们开发此工具并使其开源的主要动机之一。我们已经证明，您可以实际使用此工具来优化开源 AI 模型，并从这些开源模型中获得实质性的改进。

这是美国斯坦福大学的 James Zoe 与 Adam Levy 的对话。有关该故事的更多信息，请查看节目说明以获取一些链接。最后，记者 Max Kozlov 加入 Benjamin Thompson，对特朗普政府持续预算削减后美国科学现状的最新情况进行更新。

Max，非常感谢您再次加入我。当然。所以我们在星期一下午交谈。当然，这是一个非常不稳定的局面。当听众听到这一点时，情况可能已经发生了变化。但是让我们谈谈最近发生的事情。首先要谈论的是“为科学挺身而出”游行。

这些活动在美国各地举行。你实际上参加了华盛顿特区的一次活动。是的，成千上万的人出现在华盛顿特区的国家广场，就在纪念碑前，抗议政府、本届政府采取的一些行动，特别是关于生物医学科学以及 NIH 在暂停或终止研究方面的一些行动。我看到很多关于国家气象局的标语，因为人们担心这会影响他们开展工作和为科学家和研究人员提供数据的能力。所以那里有很多能量。所以，是的，你提到了 NIH，即美国国立卫生研究院，

在那里。你一直在广泛报道那里发生的事情，特别是关于拨款终止之类的事情。是的。几周前，我报道说他们暂停了这些拨款审查会议，以审查资助新研究的申请。他们正在阻碍这一进程，并使安排这些会议变得非常困难。事实上，直到今天，这种情况仍在继续。但是 你谈到的是他们也开始终止现有的拨款。因此，这些拨款已经通过了科学家的审查程序，并且已被认为是需要资助的研究中的精华。现在，NIH 已被指示去寻找某些关键词，并发送这些终止信，通常只有几个小时的通知。而且 这与特朗普的许多指示和行政命令有关，特别是那些涉及他所谓的跨性别问题或性别意识形态的命令。有一长串的词语或主题

他们已被指示标记。我们上次和你一起谈论过这种普遍存在的反 DEI 重点。因此，研究人员实际上收到的信中说，你不能再有钱继续你已经被接受的研究了。差不多就是这样。我的意思是，这些研究人员正在进行他们的项目的第三年、第四年或第五年。

他们被告知，停止这项工作。我们正在撤回你的资金。在你的故事中，我的意思是，你说当时已经发出了一些终止信，但数量可能达到数百封。是这样吗？是的。就像我说的那样，这些主题的清单还在不断增长。最近的一个是他们终止了一系列疫苗犹豫项目

这些项目研究了为什么人们可能不愿意接种某种疫苗。这很重要，因为对于许多现存的传染病来说，例如麻疹，让一定比例的人口接种疫苗对于疫苗实际发挥保护人们的作用至关重要。因此，研究人员说，研究这一点很重要。所以

公共卫生官员可以调整他们的信息传递，并了解为什么人们可能不愿接种疫苗。因此，现在已经终止了数十个此类项目。此外还有关于 LGBT+ 健康、跨性别健康的研究，

以及涉及研究科学工作队伍中 DEI（多样性、公平、包容性）的研究。这是一件大事，因为他们定义它的方式非常含糊不清，它实际上可能包含特朗普政府不同意的相当广泛的研究范围。显然，你已经与许多受到影响的研究人员交谈过

你有什么特别的故事吗？我和 NIH 的一名项目官员谈过，他负责梳理一些即将续签的现有拨款，并将其标记为终止。而且，你知道，由于缺乏具体的澄清

当然，这种含糊不清意味着所有事情都可能被考虑，对吧？政府认为可以接受或不可接受的文化权利有不同的类别。

我们在我们的故事中发表了 NIH 工作人员被要求对可能涉及终止拨款的拨款进行分组或归类的类别。让我明确一点，终止拨款是极其罕见的。通常情况下，除非发生某种严重的渎职行为或

或者没有取得任何进展，或者存在某种欺诈行为。因此，事实上正在发生这些大规模终止，这绝对是史无前例的。范围也是史无前例的。这不仅仅是他们对所有事情的关注

DEI。还有其他东西。是的，这不仅仅限于 DEI。资助在中国进行的研究或与气候变化或环境正义相关的研究，所有这些都被标记出来。目前还不清楚所有这些是否都会被终止。到目前为止已被终止的研究包括 DEI 工作、包括跨性别者的研究和疫苗犹豫研究。现在，NIH 工作人员收到这些请求

列出所有与之相关的研究，然后他们会将这些研究发送出去。最近出现的一个是信使 RNA 疫苗。因此，这是为我们提供 COVID-19 疫苗的疫苗技术。但是这项疫苗技术正在针对许多其他不同的疾病和感染进行试验，包括从登革热病毒到癌症的所有疾病。而且

这些拨款尚未终止，但最近 NIH 工作人员已被要求列出所有关于此项目的清单。许多 NIH 内部和外部的研究人员都担心，鉴于特朗普政府高级官员对疫苗，特别是 COVID 疫苗的一些怀疑态度，这意味着信使 RNA 疫苗研究可能是下一个目标。当然，所有

所有这些拨款都代表着巨额资金，对吧？在另一个故事中，你正在研究突然取消或威胁取消大量资金会对机构产生什么影响。你参与了一个关于纽约哥伦比亚大学的故事。是的，没错。我们已经广泛报道过，这种影响将最强烈地体现在下一代科学家身上。

因此，我们已经看到美国数十所大学撤回或取消了他们的研究生课程或撤回了博士后职位，因为现在高等教育的资金存在很大的不确定性。高等教育在这个国家受到了特别关注，以至于研究人员不知道他们能否维持实验室的开放或

在他们的实验室中招聘新人才，而早期职业研究人员不得不就他们职业的未来做出艰难的决定。我知道你提到了哥伦比亚大学。在那里，NIH 取消了超过 2.5 亿美元的资金，约 400 项研究拨款，原因是特朗普政府所谓的“面对持续骚扰犹太学生的持续不作为”。

因此，他们正在哥伦比亚大学终止拨款，这与他们在那里进行的研究无关。只是他们专门针对这所大学。特朗普政府还在调查至少另外 50 所大学。因此，这可能也不是一所特定大学最后一次终止拨款。最后，你当然一直在与全国各地的研究人员交谈。

他们告诉你有什么普遍的想法，有什么普遍的线索吗？我认为我听到的一件事是，即使明天时钟倒转，造成的损害也将是持久的，因为美国境外的研究人员如何才能信任或与美国的研究人员合作，现在

他们明白他们的资金是不确定的，他们可能无法使用某些关键词发表论文，因为他们可能会在美国被封锁或审查。所以我认为，特朗普政府上任头两个月这些行动的影响将会持续很长时间。好了，我们就说到这里。Max Kozlov，再次感谢你加入我们。谢谢。

本周就到这里。如果您想保持联系，您可以关注我们的X或Blue Sky，或者您可以发送电子邮件到[email protected]。我是Sharmini Bandel。我是Nick Petrychow。感谢收听。

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