自100多年前量子力學創(chuàng)立以來，通過對量子行為統(tǒng)計性的研究，催生了包括核裂變、激光、半導體在內(nèi)的眾多技術(shù)產(chǎn)品，對人類生活以及戰(zhàn)爭樣式產(chǎn)生了重大的影響，被稱為由量子力學引發(fā)的第一次技術(shù)革命。近年來，隨著量子技術(shù)的進一步發(fā)展，各國開始廣泛研究包括電子、原子、原子核、分子、準粒子等單個量子系統(tǒng)的行為，人類很可能會由此進入第二次量子革命時代。

論第二次量子革命的發(fā)展

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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)域的實際應用。此次技術(shù)革命將利用量子物理學的特性來實現(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)可實現(xiàn)的功能，如靈敏度、準確性、速度或易用性等方面（在某些情況下會有幾個數(shù)量級的提升）。由此，量子技術(shù)可能會成為納米、生物、信息和神經(jīng)等其他技術(shù)的加速器，大大提升計算、通信、密碼學、導航和感知能力。針對戰(zhàn)爭范疇，量子科學將確保強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、評估、瞄準和打擊流程，提高殺傷鏈運轉(zhuǎn)速度，以獲取戰(zhàn)場優(yōu)勢。

“量子戰(zhàn)爭”概念圖

根據(jù)北約評估，目前以美國等國為代表的軍事強國都將量子技術(shù)作為長期國防規(guī)劃的前沿領(lǐng)域，在技術(shù)不斷迭代的情況下，很可能將對現(xiàn)有戰(zhàn)爭樣式產(chǎn)生顛覆性改變。

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基本賦能樣式

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

2.1量子計算

量子計算是一種新型計算模式，受量子力學規(guī)律調(diào)控，基于量子信息單元完成計算，顯著區(qū)別于傳統(tǒng)計算模式。基于量子糾纏態(tài)計算建立的計算機被稱為量子計算機，典型代表包括可編程量子計算機、量子退火器（一種不完美的絕熱計算）和量子模擬器。量子計算機的硬件基于糾纏態(tài)光量子的生成和湮滅，遵循量子計算理論，處理和計算的不再是簡單電平信號而是量子信息，運行的基本邏輯也不再是簡單的與或非門電路，而是量子算法，可提供比經(jīng)典計算機更大的計算優(yōu)勢。該技術(shù)距離實際應用至少還需10年時間，在可預測范圍內(nèi)不會全面取代經(jīng)典計算機。

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)中唯一的實際應用是量子密鑰分發(fā)（QKD）。QKD與傳統(tǒng)的非對稱加密（也稱為公鑰加密）相比的一個顯著優(yōu)勢是，任何攔截或竊聽嘗試都會立即被發(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通常被認為是不可破解的，但這僅適用于正確實施的量子信息傳輸途徑上，而由經(jīng)典計算機控制的端點將仍然是進攻性網(wǎng)絡(luò)行動的目標。

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)，如安全識別、位置驗證和分布式量子計算。相關(guān)技術(shù)應用也將推動高精度的時鐘同步和聯(lián)網(wǎng)的量子傳感器的發(fā)展。量子互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的最大障礙是缺少可靠的量子存儲器來存儲量子信息，難以找到可靠地存儲也就難以實現(xiàn)在多個中間節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)上實施同步和分發(fā)。量子互聯(lián)網(wǎng)預計將在2030年后才能逐步應用。

2.3量子傳感

量子傳感旨在更精確地測量各種物理變量，如磁場或電場、重力梯度、加速度和時間。加強化的時間測量可用于獲取更精確的時鐘（許多當前技術(shù)使用）、量子慣性導航、地下和海底探測、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，在軍事應用上往往需要具有低SWaP（尺寸、重量和功率）的便攜式或移動解決方案。同時，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現(xiàn)從太空探測潛艇這種功能是不可能的，因為高空間分辨率通常將導致靈敏度不足。另一方面，一些量子傳感器實用化發(fā)展迅速，如量子導航中的傳感器，預計將在未來五年內(nèi)做到能夠在相關(guān)領(lǐng)域環(huán)境中進行測試。

2.4量子成像

量子成像是量子光學的一個子領(lǐng)域，與量子傳感器（測量一些外部量）相比，它往往是有源體制（即，發(fā)射一些信號，需要檢測其反射信號）。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，因為在沒有糾纏相關(guān)先驗知識的情況下，信號本身可能在背景噪聲中無法被識別。量子成像可以改進現(xiàn)有技術(shù)，如量子雷達、三維相機、角落攝像頭、氣體泄漏攝像頭和低能見度視覺設(shè)備。

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國防應用分析

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

3.1量子通信應用

自由空間量子通信將是未來量子互聯(lián)網(wǎng)的一個重要抓手，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)品性能對于實際應用來說太低，量子網(wǎng)絡(luò)的低密度使其非常脆弱。空天領(lǐng)域的量子通信系統(tǒng)目前還是主要用于研究和開發(fā)、概念驗證演示以及實驗性應用，且更多的是商業(yè)應用。從未來發(fā)展看，隨著量子存儲器的可靠性不斷提升，以及高速量子光學的進一步發(fā)展，2030年后可能會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（PQC）高度相關(guān)的量子密碼學也將成為量子通信的關(guān)鍵能力——PQC僅通過軟件的升級便能實現(xiàn)，這意味著更短的部署時間，并能夠依托現(xiàn)有的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)進行應用。

3.2量子情監(jiān)偵（ISR）應用

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)勢并抵消兩者的缺點，從而開創(chuàng)ISR的新紀元。然而，充分實現(xiàn)這些可能性將取決于量子計算和通信的發(fā)展程度。

以量子成像系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)可以進一步發(fā)揮情報、監(jiān)視、目標捕獲和偵察的作用，涵蓋遠/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。典型應用可幫助直升機飛行員在多塵、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

量子磁傳感器檢測磁場，可精準探測局部磁場異常或微弱的生物磁信號，目前這類系統(tǒng)正處于開發(fā)階段，用于探測產(chǎn)生局部磁異常的金屬物體，如地雷、簡易爆炸裝置、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)，測試探測地下結(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載系統(tǒng)或太空資產(chǎn)上。

3.4 量子射頻接收機

量子射頻接收機能夠提升探測性能，例如更寬的頻帶、更好的SNR、更小的尺寸、更好的到達角檢測性，且具備自校準能力，不存在因金屬部件產(chǎn)生的額外噪聲，其光學狀態(tài)下的輸出將實現(xiàn)更快的信號處理和強弱場的測量能力。在國防應用中，量子射頻接收機可以接收低截獲概率/低探測概率（LPI/LPD）通信和超視距射頻信號，能夠滿足抗射頻干擾和干擾、射頻測向和太赫茲頻率成像的技術(shù)需求。未來，量子射頻接收機具有成為5G和物聯(lián)網(wǎng)標準射頻接收機的潛力，有助于在提升己方通信效能的同時，強化對敵方信號的檢測能力，并可對現(xiàn)有射頻設(shè)備進行高效校準。

3.5量子導航應用

量子慣性導航與經(jīng)典慣性導航類似，但使用的是量子傳感器。量子慣導零件正在實驗室和相關(guān)環(huán)境中進行測試，并已展示出了足以用于軍事用途的穩(wěn)定性。然而，創(chuàng)建一個完整的量子慣性測量單元仍然具有挑戰(zhàn)性。針對此技術(shù)的一般預期是其導航精度將達到每月僅幾百米的漂移速度，而當前海上慣性導航傳統(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。第一批可能的用戶是對SWaP指標限制最小的潛艇。隨著時間的推移，有可能會實現(xiàn)量子導航系統(tǒng)的進一步小型化，可在飛機、無人機和導彈廣泛部署。

3.6量子計算應用

在軍事領(lǐng)域，量子計算在機器學習、人工智能、飛行器設(shè)計、虛擬系統(tǒng)等方面都展現(xiàn)出了極大的應用潛力，將有望對ISR信息處理、戰(zhàn)場指揮控制等領(lǐng)域的能力升級起到推動作用。

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結(jié)語

從長遠來看，量子技術(shù)在從傳感到通信再到計算的廣泛應用中具有巨大的前景。在可預見的未來，量子技術(shù)可能不會在短時間內(nèi)就徹底改變國防裝備。舉例而言，量子傳感器的成熟可能需要3-10年時間，量子通信則需5-10年，而量子計算甚至可能在10至20年內(nèi)都難以達到理想狀態(tài)。此外，盡管量子技術(shù)的原理在實驗室中獲得了巨大的成果，但從實驗室至實際應用的轉(zhuǎn)化還存在很多問題，比如低SWaP、機動性以及制造成本，這些都是現(xiàn)實不可忽視的重大瓶頸，需對其進一步研究和思考。

（全文完）

審核編輯 ：李倩