量子技術及其在軍事領域的應用

楊 揚 馮 林 趙文元 高興隆

以量子衛星、量子雷達、量子計算機、量子定位系統為代表的高精尖量子軍事武器裝備技術已經獲得了突破性發展，使得量子技術在軍工領域廣泛應用，推動了全球新軍事變革和戰爭形態變化，受到了世界各國的高度重視，現已成為世界大國的重點發展對象。例如，2018年歐盟聚集了來自歐洲內外共32個國家的政府部門、科學界以及產業界的利益相關方，制定了總值超過十億歐元的國際量子旗艦計劃（EU Quantum Flagship）。

量子技術的核心內容

以量子通信、量子計算、量子定位和量子傳感為代表的量子技術正處于高速發展中，但就其在軍事領域的實際應用而言，其進展水平并不平衡。量子計算的進展主要由經濟效益驅動，在未來帶來突破傳統計算理論限制的先進計算能力。而量子通信、量子傳感和量子定位技術的進展則主要是由國防安全推動，將大大提高各式軍事指揮系統保密性和抗干擾能力，給未來戰爭形態帶來顛覆性變化。但考慮到推動量子技術發展所需要的科研能力以及龐大的研究投資成本，在未來該技術領域的競爭將主要來源于同等規模的競爭者。

量子通信是被嚴格數學證明的絕對安全的通信方式。在信息化作戰條件下，依托衛星發射的無線通信技術已經無所不在，有效安全可靠的信號傳遞堪稱關鍵，而量子通信技術就正好能夠在這一領域中大顯身手。量子通信技術主要是運用了量子疊加原理和量子糾纏原理，利用一組相互糾纏的光子進行密鑰的傳遞。按照光子的偏振特征，光分具有二種截然不同的偏振方位，即在被檢測前，糾纏量子的偏振態處在這二個方面的疊加狀態，因而是不確定的。也只有在其中一條光子偏振方位被檢測時，無關的偏振方位才得以確定，而同樣另一條光子又由于量子糾纏而決定了與其相對應的偏振方位。

量子計算是對傳統計算機的顛覆。目前的科學研究與實踐已經證明了，在部分重大問題的計算中，量子計算的速率較傳統電子計算機成指數級增加。尤其是針對軍事領域中關鍵的解密問題上，在現代經典電子計算機上，運行時所需計算次數隨著輸入量的增加成指數級增加，意味著這個問題在經典物理學的研究范疇內從根本上不可能得以克服。而量子計算利用量子態疊加原理和量子糾纏特性，具有經典計算機無法比擬的高速處理、高保密存儲量子信息及并行計算等功能優勢，是滿足未來戰爭需要的新一代高性能計算機。量子計算能夠滿足海量信息存儲與處理、武器裝備研制、戰場態勢分析與數據傳輸、信息安全、重大科學問題研究對計算速度的現實需求，為軍事復雜問題提供高效解決方案。

量子定位突破經典無線電導航體制。2020年4月，在由美國政府AFCEA組織與喬治梅森學校共同組織的線上活動中，美國防部軍事科研和工程部的負責人馬克·劉易斯認為，在量子科學中最有可能實現的應用將是“完成位置、航行和計數，作為取代GPS操作系統的選擇”。隨著近年來量子信息技術的進一步發展，各種研究成果也逐步出現。目前量子定位技術的實現途徑大致有以下4個：一是把量子信息技術和衛星定位技術加以融合；二是脈沖式量子定位系統；三是“量子羅盤”，即使用地磁性的亞原子效應再加上自動定位；四是量子慣性引導。量子定位技術使用的是具備量子特點的光子脈沖，能夠突破傳統經典無線電GPS定位體系中的位置精確度限制，實現極高的位置精確度，并且還內含密碼技術能力，在安全性等方面具備一定優越性，可提升軍用電子設備在GPS拒止環境條件下的航行力量，將對軍用航海領域產生重要影響。

量子力學開山鼻祖馬克斯·普朗克

量子傳感突破“千里眼”的局限。量子雷達是基于量子力學基本原理，主要依靠收發量子信號實現目標探測的一種新型雷達。量子信息技術均存在一定的技術優勢，可以通過與經典雷達相結合，提高雷達科技對總體目標的測量性能，從而提升定距、觀察角分辨率和圖像清晰度，同時增強了雷達的抗干擾能力和防欺詐能力，從而能夠很好克服傳統經典雷達在偵察、測量和圖像形成方面的難題。通過量子統計能夠給軍用復雜性問題帶來有效突破技術瓶頸的可能。因此，量子雷達也因其優異的電子對抗特性，受到世界主要大國的高度重視。

量子技術的軍事應用

量子糾纏原理示意圖

量子通信保證了通信的絕對安全。量子通信是利用量子疊加態和糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式，基于量子力學中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理提供了無法被竊聽和被計算破解的絕對安全性保證。量子密碼系統是運用物理學原理保密信息，量子自身的特性也決定了量子通信的整個過程都是無條件安全的。未來戰爭中沒有嚴格的前線后方的區分，而利用特定的量子通信、量子密鑰系統等信息技術，就能夠形成安全可靠的全新軍事通訊網絡系統，可在武器裝備、敵我辨識、鎖定攻擊目標等方面形成一體化作戰模式，幫助指揮員把握戰爭全局并作出恰當決定。比如，當某個方向敵人對敵進攻時，在各兵種間通過量子信息組網之后，信息的傳遞可靠性也就有所保證，同時還可以提高部隊行動協調性，從而更好地發揮聯合作戰能力，對敵人進行迅速有效的攻擊。目前已有大量相關試驗得到證明，量子通信技術的隱蔽性也將有助于提高水下的綜合對抗實力，從理論來說能夠較好地運用于深海和遠洋的通信。如果水下通訊問題得以破解，將會極大改善海洋的對抗樣式能力，“海狼群”將變成現實，航空母艦戰斗群或將受到重大威懾。

量子羅盤示意圖

量子雷達技術顛覆傳統雷達技術。傳統雷達技術具有電磁泄露強，功耗大，體積大，成像能力微弱，機動性較差等缺陷。而伴隨著現代隱形技術的高速發展，傳統雷達反隱身能力較弱的缺陷也越來越突出。而現代量子雷達利用量子力學基本原理，能夠很好解決傳統雷達的種種缺陷。量子雷達只使用數量相對較少的光量子對總體目標實施偵察，使用的就是光量子的粒子特點。隱身戰斗機可以截取常規雷達所發的信息，并重新發送一只鳥的虛假信號作為雷達回波，這就掩蓋了位置。而按照測不準基本原理，截獲了量子雷達所發射光子使得光子原有的量子特點被完全摧毀，同時光子具備不能再現的特點，致使隱身戰斗機所無法隱藏位置。

量子計算機為信息化戰爭提供海量計算。量子計算可以有效解決高性能、大數據計算問題，加快導彈攻防系統、大型海空作戰武器平臺、軍事航天裝備等復雜武器系統的設計和試驗進程，大幅提升武器裝備研發效率，有效支撐先進武器裝備研制需求。同時，經典計算機需要數百年完成的運算量，量子計算機只需不到幾分鐘的時間就能完成，其強大的數據處理能力使現有RSA公開密鑰體系的保密性受到重大挑戰?；蛘呖梢哉f在量子計算機面前，傳統密鑰體系將難以發揮作用。如此看來，只有采用了量子力學基本原理的量子密碼體系才能對抗量子計算機的海量計算。

量子定位系統提升了武器裝備的生存能力。量子定位系統采用量子效應與微加工技術開發的慣性導航體系，不需與外部信號聯系而進行導航，從而減少了被敵人發覺、擊落或俘獲的幾率。同時量子定位系統具備精度高、體積小、功耗低的優點，滿足了對武器裝備智能導航的要求，可以減少制導體系載荷耗費，提升武器裝備安全性和戰斗質效，可用作預警機、潛航、無人駕駛直升機等的引導或精確測量手段，也可以作為精確制導或單兵戰斗，以提高其攻擊力。因此，將量子羅盤技術廣泛應用于戰略核潛艇，可使其降低對衛星導航系統的依賴，進行量子精確定位，為發射導彈與深海潛行服務。將量子導航技術廣泛地運用于宇宙飛船、深空探測器等領域，其自主航行將更為靈活、安全。

量子衛星具有保密通信技術，可防止間諜竊聽及破解，抗衡外國網絡攻擊

量子技術的顛覆意義

近年來，技術革新的滲透性、擴散性、顛覆性特點日益深入地影響人類經濟社會的生產生活方式，進而加速世界新軍事變革與戰爭形態演變。以量子技術為代表的顛覆性技術的發展與運用也將成為世界軍事領域發展的主要推動力。因此，在國防軍事領域，深入研究顛覆性技術引起軍事變革的內部機制，并在更深層次上發現顛覆性技術和軍事變革之間彼此聯系、相互影響的底層邏輯，具有重大的現實意義。

量子技術的發展需要更多時間才能完全發揮在國防軍事領域的顛覆作用。實際上，量子技術并不是一個單一的個體，而是科技創新中的有機組成部分。新興技術與顛覆性技術的融合更易于在軍事領域產生顛覆性影響。例如，將大數據與量子技術融合，利用量子傳感器增強信息傳輸的安全性與海量計算的能力，進一步強化聯合作戰指揮系統的數據分析能力。同時大數據分析、人工智能、高超聲速等領域的科技創新也具備顛覆性特點，將在未來對軍事力量發展形成重大或變革性影響，利用科技融合的方式更容易對軍事力量發展產生顛覆性影響。

從投資方向來看，近10年來世界主要國家間的科技創新競爭快速進入白熱化狀態。各主要大國都把科學技術作為本輪戰略博弈的核心，把物理空間和虛擬空間作為新質戰場，全力爭取前沿核心科技領域的相對優勢和關鍵技術控制權。特別是國防軍事領域的科技創新事關國家安全這一底線，以量子技術為代表的顛覆性技術具有顛覆性特征，能夠催生帶動各領域相關技術的融合發展和跨越式發展，值得高度重視。