自100多年前量子力學(xué)創(chuàng)立以來，通過對(duì)量子行為統(tǒng)計(jì)性的研究，催生了包括核裂變、激光、半導(dǎo)體在內(nèi)的眾多技術(shù)產(chǎn)品，對(duì)人類生活以及戰(zhàn)爭(zhēng)樣式產(chǎn)生了重大的影響，被稱為由量子力學(xué)引發(fā)的第一次技術(shù)革命。近年來，隨著量子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各國(guó)開始廣泛研究包括電子、原子、原子核、分子、準(zhǔn)粒子等單個(gè)量子系統(tǒng)的行為，人類很可能會(huì)由此進(jìn)入第二次量子革命時(shí)代。

論第二次量子革命的發(fā)展

01

總體概況

第二次量子技術(shù)革命將充分利用量子特性——分子、原子甚至更小粒子的相互作用，加速在不同領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。此次技術(shù)革命將利用量子物理學(xué)的特性來實(shí)現(xiàn)新功能，幫助將電子產(chǎn)品的性能以超越摩爾定律的速度提升。此外，量子技術(shù)可大幅提升傳統(tǒng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的功能，如靈敏度、準(zhǔn)確性、速度或易用性等方面（在某些情況下會(huì)有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的提升）。由此，量子技術(shù)可能會(huì)成為納米、生物、信息和神經(jīng)等其他技術(shù)的加速器，大大提升計(jì)算、通信、密碼學(xué)、導(dǎo)航和感知能力。針對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)范疇，量子科學(xué)將確保強(qiáng)大的傳感器和射手網(wǎng)絡(luò)能夠在虛擬和物理域加速探測(cè)、評(píng)估、瞄準(zhǔn)和打擊流程，提高殺傷鏈運(yùn)轉(zhuǎn)速度，以獲取戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

“量子戰(zhàn)爭(zhēng)”概念圖

根據(jù)北約評(píng)估，目前以美國(guó)等國(guó)為代表的軍事強(qiáng)國(guó)都將量子技術(shù)作為長(zhǎng)期國(guó)防規(guī)劃的前沿領(lǐng)域，在技術(shù)不斷迭代的情況下，很可能將對(duì)現(xiàn)有戰(zhàn)爭(zhēng)樣式產(chǎn)生顛覆性改變。

02

基本賦能樣式

從應(yīng)用賦能角度，可將第二次量子革命技術(shù)分為量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)/通信以及量子傳感、成像幾大類。

2.1量子計(jì)算

量子計(jì)算是一種新型計(jì)算模式，受量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控，基于量子信息單元完成計(jì)算，顯著區(qū)別于傳統(tǒng)計(jì)算模式?；诹孔蛹m纏態(tài)計(jì)算建立的計(jì)算機(jī)被稱為量子計(jì)算機(jī)，典型代表包括可編程量子計(jì)算機(jī)、量子退火器（一種不完美的絕熱計(jì)算）和量子模擬器。量子計(jì)算機(jī)的硬件基于糾纏態(tài)光量子的生成和湮滅，遵循量子計(jì)算理論，處理和計(jì)算的不再是簡(jiǎn)單電平信號(hào)而是量子信息，運(yùn)行的基本邏輯也不再是簡(jiǎn)單的與或非門電路，而是量子算法，可提供比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更大的計(jì)算優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用至少還需10年時(shí)間，在可預(yù)測(cè)范圍內(nèi)不會(huì)全面取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

2.2量子網(wǎng)絡(luò)/通信

量子網(wǎng)絡(luò)/通信是通過光纖線路或太空空間通信等各種渠道傳輸量子信息（量子比特）。第一代量子網(wǎng)絡(luò)中唯一的實(shí)際應(yīng)用是量子密鑰分發(fā)（QKD）。QKD與傳統(tǒng)的非對(duì)稱加密（也稱為公鑰加密）相比的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是，任何攔截或竊聽嘗試都會(huì)立即被發(fā)現(xiàn)。QKD在商業(yè)上可與光纖一起使用，商用QKD服務(wù)可能將在未來兩到五年內(nèi)推出。注意，QKD通常被認(rèn)為是不可破解的，但這僅適用于正確實(shí)施的量子信息傳輸途徑上，而由經(jīng)典計(jì)算機(jī)控制的端點(diǎn)將仍然是進(jìn)攻性網(wǎng)絡(luò)行動(dòng)的目標(biāo)。

下一代量子網(wǎng)絡(luò)，被稱為量子信息網(wǎng)絡(luò)（QIN）或量子互聯(lián)網(wǎng)，其分發(fā)糾纏量子比特的能力有所不同。QIN將提供更多與安全相關(guān)的服務(wù)，如安全識(shí)別、位置驗(yàn)證和分布式量子計(jì)算。相關(guān)技術(shù)應(yīng)用也將推動(dòng)高精度的時(shí)鐘同步和聯(lián)網(wǎng)的量子傳感器的發(fā)展。量子互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的最大障礙是缺少可靠的量子存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)量子信息，難以找到可靠地存儲(chǔ)也就難以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)施同步和分發(fā)。量子互聯(lián)網(wǎng)預(yù)計(jì)將在2030年后才能逐步應(yīng)用。

2.3量子傳感

量子傳感旨在更精確地測(cè)量各種物理變量，如磁場(chǎng)或電場(chǎng)、重力梯度、加速度和時(shí)間。加強(qiáng)化的時(shí)間測(cè)量可用于獲取更精確的時(shí)鐘（許多當(dāng)前技術(shù)使用）、量子慣性導(dǎo)航、地下和海底探測(cè)、更有效的射頻通信等領(lǐng)域。量子傳感是目前發(fā)展最成熟的量子技術(shù)（平均最高TRL），但目前部署的傳感器的有效性仍具備很大的不確定性。此外，在軍事應(yīng)用上往往需要具有低SWaP（尺寸、重量和功率）的便攜式或移動(dòng)解決方案。同時(shí)，量子傳感器的空間分辨率需要提高，這通常與靈敏度成反比。例如，使用高精度的量子傳感器實(shí)現(xiàn)從太空探測(cè)潛艇這種功能是不可能的，因?yàn)楦呖臻g分辨率通常將導(dǎo)致靈敏度不足。另一方面，一些量子傳感器實(shí)用化發(fā)展迅速，如量子導(dǎo)航中的傳感器，預(yù)計(jì)將在未來五年內(nèi)做到能夠在相關(guān)領(lǐng)域環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。

2.4量子成像

量子成像是量子光學(xué)的一個(gè)子領(lǐng)域，與量子傳感器（測(cè)量一些外部量）相比，它往往是有源體制（即，發(fā)射一些信號(hào)，需要檢測(cè)其反射信號(hào)）。信噪比（SNR）代表傳感器靈敏度的基本極限。然而，使用量子糾纏可以獲取更高的SNR，因?yàn)樵跊]有糾纏相關(guān)先驗(yàn)知識(shí)的情況下，信號(hào)本身可能在背景噪聲中無法被識(shí)別。量子成像可以改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，如量子雷達(dá)、三維相機(jī)、角落攝像頭、氣體泄漏攝像頭和低能見度視覺設(shè)備。

03

國(guó)防應(yīng)用分析

歷史無數(shù)次證明，國(guó)防建設(shè)往往會(huì)成為新興技術(shù)創(chuàng)新的最大驅(qū)動(dòng)力。目前，盡管各國(guó)在量子技術(shù)上投入巨大，但現(xiàn)有能力仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，技術(shù)成熟度較低。在未來作戰(zhàn)中，量子技術(shù)可能在以下應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭角。

3.1量子通信應(yīng)用

自由空間量子通信將是未來量子互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要抓手，越來越多的量子通信資產(chǎn)將被部署在空天領(lǐng)域。但作為軍事或政府衛(wèi)星通信服務(wù)的一部分，其發(fā)展需要新的基礎(chǔ)設(shè)施和更多的投資。此外，目前的產(chǎn)品性能對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說太低，量子網(wǎng)絡(luò)的低密度使其非常脆弱?？仗祛I(lǐng)域的量子通信系統(tǒng)目前還是主要用于研究和開發(fā)、概念驗(yàn)證演示以及實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，且更多的是商業(yè)應(yīng)用。從未來發(fā)展看，隨著量子存儲(chǔ)器的可靠性不斷提升，以及高速量子光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，2030年后可能會(huì)在太空中廣泛部署的量子物聯(lián)網(wǎng)。此外，與抗量子密碼學(xué)（PQC）高度相關(guān)的量子密碼學(xué)也將成為量子通信的關(guān)鍵能力——PQC僅通過軟件的升級(jí)便能實(shí)現(xiàn)，這意味著更短的部署時(shí)間，并能夠依托現(xiàn)有的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用。

3.2量子情監(jiān)偵（ISR）應(yīng)用

量子技術(shù)可廣泛賦能各種空天感知和成像系統(tǒng)，也可顯著改進(jìn)現(xiàn)有ISR能力。將量子ISR能力與傳統(tǒng)能力相融合，可以利用兩者的優(yōu)勢(shì)并抵消兩者的缺點(diǎn)，從而開創(chuàng)ISR的新紀(jì)元。然而，充分實(shí)現(xiàn)這些可能性將取決于量子計(jì)算和通信的發(fā)展程度。

以量子成像系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)可以進(jìn)一步發(fā)揮情報(bào)、監(jiān)視、目標(biāo)捕獲和偵察的作用，涵蓋遠(yuǎn)/近距離、有源/無源狀態(tài)下的全天候、晝夜戰(zhàn)術(shù)感知和隱身探測(cè)模式。此類系統(tǒng)可以作為低光或低信噪比的視覺設(shè)備，在有云、霧、灰塵、煙霧和叢林樹葉的環(huán)境中或在夜間工作。典型應(yīng)用可幫助直升機(jī)飛行員在多塵、多霧或煙霧環(huán)境中著陸。

3.3量子磁傳感器和重力傳感器

量子磁傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)，可精準(zhǔn)探測(cè)局部磁場(chǎng)異常或微弱的生物磁信號(hào)，目前這類系統(tǒng)正處于開發(fā)階段，用于探測(cè)產(chǎn)生局部磁異常的金屬物體，如地雷、簡(jiǎn)易爆炸裝置、潛艇、偽裝車輛等。此外，量子磁傳感器也可以作為水下導(dǎo)航的替代方法。量子重力傳感器正在開發(fā)地下監(jiān)視系統(tǒng)，測(cè)試探測(cè)地下結(jié)構(gòu)能力，如洞穴、隧道、掩體、研究設(shè)施或?qū)棸l(fā)射井。這兩種傳感器都可以部署在近地軌道的機(jī)載系統(tǒng)或太空資產(chǎn)上。

3.4 量子射頻接收機(jī)

量子射頻接收機(jī)能夠提升探測(cè)性能，例如更寬的頻帶、更好的SNR、更小的尺寸、更好的到達(dá)角檢測(cè)性，且具備自校準(zhǔn)能力，不存在因金屬部件產(chǎn)生的額外噪聲，其光學(xué)狀態(tài)下的輸出將實(shí)現(xiàn)更快的信號(hào)處理和強(qiáng)弱場(chǎng)的測(cè)量能力。在國(guó)防應(yīng)用中，量子射頻接收機(jī)可以接收低截獲概率/低探測(cè)概率（LPI/LPD）通信和超視距射頻信號(hào)，能夠滿足抗射頻干擾和干擾、射頻測(cè)向和太赫茲頻率成像的技術(shù)需求。未來，量子射頻接收機(jī)具有成為5G和物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)射頻接收機(jī)的潛力，有助于在提升己方通信效能的同時(shí)，強(qiáng)化對(duì)敵方信號(hào)的檢測(cè)能力，并可對(duì)現(xiàn)有射頻設(shè)備進(jìn)行高效校準(zhǔn)。

3.5量子導(dǎo)航應(yīng)用

量子慣性導(dǎo)航與經(jīng)典慣性導(dǎo)航類似，但使用的是量子傳感器。量子慣導(dǎo)零件正在實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，并已展示出了足以用于軍事用途的穩(wěn)定性。然而，創(chuàng)建一個(gè)完整的量子慣性測(cè)量單元仍然具有挑戰(zhàn)性。針對(duì)此技術(shù)的一般預(yù)期是其導(dǎo)航精度將達(dá)到每月僅幾百米的漂移速度，而當(dāng)前海上慣性導(dǎo)航傳統(tǒng)設(shè)備（軍用船舶和潛艇）的漂移速度為1.8公里/天，量子技術(shù)將展現(xiàn)出極佳優(yōu)勢(shì)。第一批可能的用戶是對(duì)SWaP指標(biāo)限制最小的潛艇。隨著時(shí)間的推移，有可能會(huì)實(shí)現(xiàn)量子導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)一步小型化，可在飛機(jī)、無人機(jī)和導(dǎo)彈廣泛部署。

3.6量子計(jì)算應(yīng)用

在軍事領(lǐng)域，量子計(jì)算在機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、飛行器設(shè)計(jì)、虛擬系統(tǒng)等方面都展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力，將有望對(duì)ISR信息處理、戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制等領(lǐng)域的能力升級(jí)起到推動(dòng)作用。

04

結(jié)語

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，量子技術(shù)在從傳感到通信再到計(jì)算的廣泛應(yīng)用中具有巨大的前景。在可預(yù)見的未來，量子技術(shù)可能不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)就徹底改變國(guó)防裝備。舉例而言，量子傳感器的成熟可能需要3-10年時(shí)間，量子通信則需5-10年，而量子計(jì)算甚至可能在10至20年內(nèi)都難以達(dá)到理想狀態(tài)。此外，盡管量子技術(shù)的原理在實(shí)驗(yàn)室中獲得了巨大的成果，但從實(shí)驗(yàn)室至實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化還存在很多問題，比如低SWaP、機(jī)動(dòng)性以及制造成本，這些都是現(xiàn)實(shí)不可忽視的重大瓶頸，需對(duì)其進(jìn)一步研究和思考。

（全文完）

審核編輯 ：李倩