日本防卫研究所分析：量子技术的军事应用

日本防卫研究所2021年12号研究简报刊登理论研究部政治和法制研究室有江浩一的文章，分析量子技术的军事应用。

引言

在过去的几年里，关于量子技术的辩论越来越多。这是由于世界上的主要国家，包括美国和中国，一直在关注量子技术的潜力，并在研究和开发方面进行了大量投资。量子技术是一项新兴技术，作为未来的基础技术，有可能改变人们的社会经济活动，同时，也可能会对安全和军事部门产生重大影响。

美国国防部咨询机构--国防科技委员会（DSB），于2019年12月公布了关于量子技术的报告摘要版本。在报告中，DSB将量子传感器、量子计算机和量子通信确定为具有最大军事应用潜力的量子技术。在本文中，我们将简要讨论这三种量子技术与它们的基本量子力学的关系，然后概述它们的潜在军事应用。

量子力学和量子技术的概念

量子技术兴起于20世纪初，以量子力学概念为基础，阐明了电子和光子（统称为量子）在微观世界中的奇特属性。根据量子力学，量子是一个神秘的实体，同时具有粒子和波的特性。这一特性被称为波粒二象性，目前仍在证明之中。

除此以外，量子还有另外两个属性：叠加和纠缠。叠加是一个量子的属性，允许它同时保持多种状态，而纠缠是允许多个量子之间发生关联的属性。不过，这些特性很难保持，因为，它们会被量子与环境的相互作用所破坏。

量子力学所描述的量子特性，可以应用于广泛的技术领域。例如，"叠加"特性允许同时表示0和1的信息，而不是传统计算机中使用的0或1比特值。量子计算机利用这一特性量子通信应用，使用量子比特同时处理大量的信息模式。量子通信使用处于"量子纠缠"状态的多个量子比特，来实现远距离的高速通信。此外，目前正在研究和开发利用量子密码学的量子特性，这在原理上使人们无法截获或窃听通信。

量子传感器

最接近量子技术的军事应用的是量子传感器。量子传感器是超灵敏的传感器，利用量子特性，如"量子纠缠"来测量物理量，预测可能会用于雷达等军事应用。

在量子雷达中，一对处于"量子纠缠"状态的光子中的一个从雷达中发射出来，当它在目标处被反射回来时，与另一个光子的相关性就能被检测出来，并测量出与目标的距离。然而，开发一个可行的量子雷达还存在一些挑战，包括在雷达操作之间保持"量子纠缠"状态的困难，正是这种困难导致人们对量子雷达的军事应用持怀疑态度。

使用量子传感器进行定位、导航和定时（PNT），能够实现高度精确的自我定位和导航，而无需依赖外部PNT信号，如GPS卫星。例如，这种量子传感器可以成为潜艇在水下航行时非常有用的导航工具。此外，通过安装量子传感器作为军用GPS的备份，即使GPS卫星因网络攻击或电子干扰而失灵，也有可能使用量子传感器提供准确的导航。

量子传感器也有望能改善信息收集、监视和侦察能力。例如，量子传感器可以显著提高探测携带核导弹的战略核潜艇（SSBN）的能力。具体来说，量子传感器可用于测量SSBNs在水下时引起的磁场和重力的变化。还有人指出，对于那些操作SSBN的人来说，这可能会破坏海上部署核威慑的可行性。

量子计算机

尽管基于量子特性的新计算系统的可能性很早就为人们所论及，但量子计算机的概念首次被提出是在1980年。同年，美国物理学家保罗-贝尼奥夫发表了一篇论文，从理论上证明了量子计算机的可行性。

1994年，美国应用数学家彼得-肖尔开发了一种名为"肖尔算法"的算法，该算法利用量子特性，使大数字的因数分解比传统计算机快很多。由于使用这种算法的量子计算机出现，就能解读当RSA密码（公钥密码）这种目前流行的加密系统，对量子计算的兴趣，也就迅速扩大开来。经过此后的各种研究和开发工作，谷歌、IBM和其他公司现，已经成功地开发了具有几十个量子比特的量子计算机。

然而，据估计，要真正破解RSA加密，需要一台拥有2000万量子比特的量子计算机。因此，最早也要到2030年或2040年左右才能实现。

有人担心量子计算机密码分析的技术可能会从美国流出来。美国商务部在2021年11月至2021年12月发布的安全关注公司名单（实体名单）中增加了8家中国公司，因为，商务部认定它们通过获得美国制造的量子计算机来支持中国人民解放军的现代化建设。具体支持领域包括提高密码分析能力。

量子通信

量子通信被视为下一代通信技术，可以避免通过拦截和网络攻击所造成信息泄露。量子密钥传递（QKD）是一种相对知名的利用量子特性来加密信息的方法。

中国正在大力研究利用这种方法进行量子加密通信的实际应用。2016年8月，中国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星"墨子号"，并于2017年8月完成了北京和上海之间的量子密钥传递通信干线。一个月后，中国通过"墨子号"在北京和维也纳（奥地利）之间进行了加密的图像传输，实际使用了量子密钥传递。2021年1月，中国宣布通过墨子成功完成了长达4600公里的卫星对地量子通信链路。

然而，中国的量子通信只是一个基于商业目的的一个项目，要实现可用于军事目的的量子通信，可能会有很多障碍。前面提到的DSB报告评估说，量子密钥传递还没有达到足够的完整性，尚不能被美国军队用来执行任务。

另一方面，当量子密钥传递达到军事上可行的水平时，它很可能被用于船舶和飞机之间的无线通信，以及固定设施之间的光纤通信，如地面指挥设施和海军和空军基地。然而，由于量子性质的可折叠性，通过自由空间的量子无线通信存在一些问题，例如被限制在视线范围内，传输路径上没有障碍物。

还有人认为，一旦引入与SSBNs的量子通讯，就能够构成无法旁听的秘密通信。为此，有些困难必须克服，如需要保护传输的量子性质在通过海洋传输时不会被破坏。

结论

除量子传感器、量子计算机和量子通信的潜在军事应用之外，还有人预测，量子技术将被应用于军事和战争的其他各种领域，从而形成一些人所说的"量子战争"。

然而，由于量子技术仍处于起步阶段，其实际应用的挑战仍有待克服，目前，应该避免过高估它对军事的未来影响。应该继续关注量子技术的发展以及关于其应用于军事事务的辩论，并深入考虑量子技术对国家安全的影响。

（编辑：晋中站长网）

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