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為什么國(guó)防領(lǐng)域如此重視量子技術(shù)？

2022-08-16

文章詳情

光子盒研究院出品

量子技術(shù)是一門新興的、具有潛在顛覆性的學(xué)科，能夠影響許多人類活動(dòng)。而且量子技術(shù)是兩用技術(shù)，因此國(guó)防和安全行業(yè)以及軍方和政府都對(duì)此感興趣。

一份最近發(fā)表在EPJ QuantumTechnology的報(bào)告《量子技術(shù)的軍事應(yīng)用》回顧并描述了可能的量子技術(shù)軍事應(yīng)用，作為國(guó)際和平與安全評(píng)估、倫理研究、軍事和政府政策、戰(zhàn)略和決策的切入點(diǎn)。這份報(bào)告提供了正在開(kāi)發(fā)的量子技術(shù)的基本概況，還估計(jì)了交付的預(yù)期時(shí)間或使用影響，描述了量子技術(shù)在各種戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域的具體軍事應(yīng)用(例如，陸地、空中、太空、電子、網(wǎng)絡(luò)和水下戰(zhàn)爭(zhēng)以及ISTAR——情報(bào)、監(jiān)視、目標(biāo)搜索與偵察),并闡述了相關(guān)問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

雖然第四代現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的特點(diǎn)是去中心化和失去國(guó)家對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的壟斷[1，2]，但發(fā)達(dá)國(guó)家的軍隊(duì)通常能夠獲得最先進(jìn)的軍事技術(shù)。這包括量子技術(shù)的出現(xiàn)。

量子技術(shù)(QT)是指主要源于第二次量子革命的技術(shù)。此前，第一次量子革命帶來(lái)了我們今天熟悉的技術(shù)，如核電、半導(dǎo)體、激光、磁共振成像、現(xiàn)代通信技術(shù)或數(shù)碼相機(jī)和其他成像設(shè)備。第一個(gè)量子技術(shù)產(chǎn)生了核武器和能源；然后，經(jīng)典計(jì)算機(jī)獲發(fā)揮著重要的作用。目前，激光武器正在實(shí)施和測(cè)試[3]。

第二次量子革命[4]的特點(diǎn)是操縱和控制單個(gè)量子系統(tǒng)(如原子、離子、電子、光子、分子或各種準(zhǔn)粒子)，從而達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的量子極限；也就是量子尺度下測(cè)量精度的極限。在本報(bào)告中，量子技術(shù)指的是第二次量子革命的技術(shù)。量子技術(shù)不會(huì)帶來(lái)全新的武器或獨(dú)立的軍事系統(tǒng)，但會(huì)顯著增強(qiáng)當(dāng)前和未來(lái)軍事技術(shù)的測(cè)量能力、傳感、精度、計(jì)算能力及效率。大多數(shù)量子技術(shù)通常都具有雙重用途。因此，量子技術(shù)的具有巨大的軍事應(yīng)用潛力。各種研究和建議不斷涌現(xiàn)，標(biāo)志著這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性越來(lái)越大；例如，參見(jiàn)[5–8]。

本報(bào)告提供了一個(gè)更深入的背景來(lái)理解量子戰(zhàn)爭(zhēng)，討論了其影響情報(bào)、安全和國(guó)防部門的可能性，并描述了新的可能能力或改進(jìn)。本文的目標(biāo)不是提供基于量子的技術(shù)精確預(yù)測(cè)，而是展示實(shí)施和應(yīng)用中可能的方向和趨勢(shì)。量子技術(shù)通常被認(rèn)為是新興技術(shù)，有可能改變戰(zhàn)爭(zhēng)行為和戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)果[8]。雖然目前的量子技術(shù)大多具有較低的技術(shù)成熟度水平(TechnologyReadiness Levels，TRL)，但它們被認(rèn)為具有顛覆性的潛力[9]，闡述量子技術(shù)可能的軍事應(yīng)用對(duì)于進(jìn)一步評(píng)估對(duì)全球和平的威脅以及討論倫理政策或基于量子的預(yù)防性軍備控制也很重要。

本報(bào)告由八個(gè)部分組成。在第2部分定義了量子技術(shù)和量子戰(zhàn)爭(zhēng)，并介紹了量子技術(shù)分類和量子技術(shù)。第3部分提供作為特定應(yīng)用基礎(chǔ)的基本量子技術(shù)概述，包括部署的預(yù)期時(shí)間和利用影響。第4部分介紹了關(guān)于量子技術(shù)發(fā)展和在軍事領(lǐng)域部署的一般考慮和期望。第5部分介紹了單項(xiàng)量子技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，例如，網(wǎng)絡(luò)、水下、太空和電子戰(zhàn)。第6部分確定并討論量子炒作以及現(xiàn)實(shí)的可能性。第7部分展開(kāi)對(duì)軍事、和平和倫理以及技術(shù)后果和挑戰(zhàn)的初步討論。第8部分闡述本文得到的結(jié)論。

第4部分和第5部分涉及國(guó)家安全和國(guó)防問(wèn)題。第3部分基于最先進(jìn)的研究，并提供相關(guān)的參考資料，第5部分更多地基于各種軍事或政府報(bào)告、政策簡(jiǎn)報(bào)和國(guó)際安全分析，例如[5–8,10–13]。在這里，讀者應(yīng)該警惕圍繞量子技術(shù)的炒作，避免夸大預(yù)期。對(duì)于目前眾多的量子技術(shù)軍事應(yīng)用而言，不確定是否所有與高端軍事技術(shù)需求相關(guān)的挑戰(zhàn)都將得到解決，甚至不確定該技術(shù)是否將實(shí)際部署。

量子技術(shù)定義如下:

量子技術(shù)(QT)是物理學(xué)和工程學(xué)的一個(gè)新興領(lǐng)域，基于量子力學(xué)特性，尤其是量子糾纏、量子疊加和量子隧穿效應(yīng)，應(yīng)用于單個(gè)量子系統(tǒng)，以及其實(shí)際應(yīng)用。

根據(jù)定義，量子技術(shù)描述了量子力學(xué)系統(tǒng)的各種物理原理，有許多應(yīng)用；例如，囚禁離子技術(shù)可以作為量子計(jì)算機(jī)的量子比特，以及磁場(chǎng)或量子時(shí)鐘的量子傳感器。

兩用技術(shù)是指在國(guó)防和商業(yè)生產(chǎn)中都具有應(yīng)用潛力的研發(fā)領(lǐng)域[15]。量子技術(shù)是一種典型的兩用技術(shù)，它不僅對(duì)軍事，而且對(duì)政府[16]和維和組織都有影響。

量子戰(zhàn)爭(zhēng)(QW)是一種將量子技術(shù)用于軍事應(yīng)用的戰(zhàn)爭(zhēng)，它影響所有戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域的情報(bào)、安全和防御能力，并帶來(lái)新的軍事戰(zhàn)略、理論、場(chǎng)景、和平以及倫理問(wèn)題。

也有人試圖定義量子領(lǐng)域[17]作為戰(zhàn)爭(zhēng)的新領(lǐng)域。然而，在本文中，作者將把量子技術(shù)視為改進(jìn)所有當(dāng)前定義的領(lǐng)域的一個(gè)因素，而不是作為一個(gè)獨(dú)立的戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域。

量子攻擊是指使用量子技術(shù)來(lái)破壞、擾亂或竊聽(tīng)經(jīng)典或量子安全系統(tǒng)。典型的例子是使用量子密鑰分發(fā)或量子計(jì)算機(jī)破解RSA加密方案進(jìn)行竊聽(tīng)。

雖然有大量的量子技術(shù)文獻(xiàn)，但在量子技術(shù)分類上沒(méi)有明確的一致意見(jiàn)。作者將使用以下分類法：

量子計(jì)算和模擬

–量子計(jì)算機(jī)(數(shù)字和模擬量子計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用，如量子系統(tǒng)模擬、量子優(yōu)化等)

–量子模擬器(不可編程量子電路)

量子通信和密碼學(xué)

–量子網(wǎng)絡(luò)和通信(量子網(wǎng)絡(luò)元件、量子密鑰分發(fā)、量子通信)

–后量子密碼(量子彈性算法、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器)

光子盒注：量子隨機(jī)數(shù)不屬于后量子密碼

量子傳感和計(jì)量

–量子傳感(量子磁力計(jì)、重力儀等)

–量子計(jì)時(shí)(精確的時(shí)間測(cè)量和分配)

–量子成像(量子雷達(dá)、低信噪比成像等)

除了上面介紹的一般量子技術(shù)分類，作者還根據(jù)量子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行了新的劃分?？梢愿爬ㄒ韵路诸?，量子技術(shù)利用影響分類如下:

必須具備：要實(shí)施的量子技術(shù)平臺(tái)框架，以防止未來(lái)的量子攻擊(例如后量子密碼)；

有效性：量子技術(shù)提高了當(dāng)前技術(shù)和方法的效率(例如量子優(yōu)化、量子機(jī)器學(xué)習(xí)或人工智能)；

精度：量子技術(shù)提高了電流測(cè)量技術(shù)的精度(例如，量子磁力計(jì)、量子重力測(cè)量、量子慣性導(dǎo)航、計(jì)時(shí))；

新功能：量子技術(shù)提供了超出了現(xiàn)有技術(shù)的范圍的新功能（如量子雷達(dá)、量子化學(xué)模擬、量子密碼分析、量子密鑰分發(fā))。

請(qǐng)注意，這種分類并不相互排斥。

這部分描述了量子技術(shù)的基本情況，以及相關(guān)的參考文獻(xiàn)。對(duì)于每一項(xiàng)量子技術(shù)，都顯示了當(dāng)前的開(kāi)發(fā)狀態(tài)，確定了影響應(yīng)用的因素，估計(jì)了部署的預(yù)期時(shí)間，并概述了主要的挑戰(zhàn)。對(duì)于量子計(jì)算應(yīng)用，提供了所需邏輯量子比特的近似數(shù)量。

不同的量子技術(shù)及其應(yīng)用處于不同的TRL，例如成熟度從TRL1（例如某些類型的量子比特）到TRL8（例如量子密鑰分發(fā)），在這里并不追求完整性，也不提供任何理論背景，而只是介紹基礎(chǔ)知識(shí)、效果和當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r。

3.1量子信息科學(xué)

量子信息科學(xué)是與量子物理相關(guān)的信息科學(xué)，研究量子信息。在經(jīng)典信息科學(xué)中，信息的基本載體是一個(gè)只能是0或1的比特。量子信息的基本載體是量子比特。一個(gè)量子比特可以是|0?或|1?，或者是狀態(tài)|0?和|1?的任意復(fù)雜線性組合，稱為量子疊加態(tài)。

另一個(gè)重要的特性是量子糾纏。量子糾纏是指兩個(gè)或多個(gè)量子比特(或兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng))之間沒(méi)有經(jīng)典模擬的強(qiáng)相關(guān)性。量子糾纏是許多量子驚喜的原因。另一個(gè)特性是不可克隆定理[18]，上面說(shuō)量子信息(量子比特)是不可復(fù)制的。這個(gè)定理對(duì)量子比特糾錯(cuò)以及量子通信安全有深遠(yuǎn)的影響。

量子信息科學(xué)描述了量子計(jì)算和量子通信中的量子信息流，從更廣泛的意義上講，它可以應(yīng)用于量子傳感和計(jì)量，參見(jiàn)[19,20].

學(xué)術(shù)界對(duì)此有有相當(dāng)大的興趣，并且已經(jīng)創(chuàng)建了幾個(gè)量子算法[21]。然而，預(yù)計(jì)只有少數(shù)對(duì)國(guó)防和安全應(yīng)用有價(jià)值。

3.2 量子計(jì)算

現(xiàn)狀：商用的物理量子比特?cái)?shù)量非常有限

影響應(yīng)用的因素：新能力、有效性、精確度

時(shí)間線預(yù)期：十年內(nèi)一百萬(wàn)個(gè)量子比特

主要挑戰(zhàn)：提高量子比特的質(zhì)量(相干性、抗錯(cuò)性、門保真度)、增加量子比特和邏輯量子比特的數(shù)量

量子計(jì)算是指利用量子信息科學(xué)來(lái)執(zhí)行計(jì)算，這種機(jī)器可以稱為量子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的分類非常復(fù)雜。本報(bào)告將分類簡(jiǎn)化如下：

數(shù)字量子計(jì)算機(jī)(也稱為門級(jí)量子計(jì)算機(jī))是通用的、可編程的，可以執(zhí)行所有可能的量子算法，并具有下述許多應(yīng)用。經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以完全模擬基于門級(jí)的量子計(jì)算機(jī)。區(qū)別在于資源和速度。例如，模擬完全糾纏的量子比特會(huì)以指數(shù)方式增加對(duì)經(jīng)典資源的需求。這意味著≥45量子比特在經(jīng)典（超級(jí)）計(jì)算機(jī)上模擬幾乎是不可能的。

模擬量子計(jì)算機(jī)(也稱為哈密頓量計(jì)算)通常使用量子退火(作為絕熱量子計(jì)算的噪聲版本)來(lái)實(shí)現(xiàn)。量子退火機(jī)與數(shù)字量子計(jì)算機(jī)的不同之處在于量子比特的有限連接性和不同的原理。因此，模擬量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用受到更多的限制，但仍然適用于量子優(yōu)化或基于哈密頓量的模擬等任務(wù)。

量子模擬器用于量子系統(tǒng)的研究和模擬其他來(lái)量子系統(tǒng)。通常不太容易訪問(wèn)，被構(gòu)建為單一用途的機(jī)器。與量子計(jì)算機(jī)相比，量子模擬器可以想象為一個(gè)不可編程的量子電路。

總的來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算不會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)只適用于有限類型的問(wèn)題，通常是高度復(fù)雜的問(wèn)題。量子計(jì)算應(yīng)用的實(shí)際部署取決于質(zhì)量(相干性、抗錯(cuò)性、門保真度)和量子比特的數(shù)量。需要遵循的一些基本參數(shù)是：量子比特的數(shù)量、量子比特相干時(shí)間、量子門保真度和量子比特互連性。在單個(gè)量子比特上應(yīng)用量子門的量子指令集被稱為量子電路。量子電路是量子算法的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

繼[7]之后，量子計(jì)算機(jī)可以分為三個(gè)進(jìn)化階段：組件量子計(jì)算(CQC)、含噪聲中等規(guī)模量子計(jì)算(NISQ)和容錯(cuò)量子計(jì)算(FTQC)。CQC階段包括量子計(jì)算演示和基本元素的成熟。CQC的計(jì)算能力非常有限，但足以證明一些原理。NISQ階段量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該有足夠數(shù)量的量子比特來(lái)展示量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。持續(xù)的研究應(yīng)該會(huì)增加量子比特的數(shù)量和質(zhì)量。當(dāng)達(dá)到一個(gè)完美的邏輯量子比特時(shí)，F(xiàn)TQC階段開(kāi)始。

物理量子比特可以通過(guò)許多量子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。最新的進(jìn)展是基于超導(dǎo)量子比特和處于或接近NISQ階段的囚禁離子量子比特的量子計(jì)算機(jī)。所有其他技術(shù)，如冷原子、拓?fù)洹㈦娮幼孕?、光子或基于NV色心的量子比特，仍處于CQC階段或理論階段。單個(gè)的量子計(jì)算機(jī)和它們的性能有很大的不同(例如，速度、相干時(shí)間、糾纏所有量子比特的可能性、門保真度)。各種度量和基準(zhǔn)，如量子體積度量[22]，已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用于它們的比較。

所有類型的量子比特的共同問(wèn)題是它們的質(zhì)量。量子比特非常脆弱，并且具有有限的相干時(shí)間(在這個(gè)時(shí)間尺度上不會(huì)丟失量子信息)。在量子比特上執(zhí)行的每個(gè)操作都有有限的保真度。因此，研究人員需要使用糾錯(cuò)碼。量子比特的糾錯(cuò)比經(jīng)典比特的糾錯(cuò)復(fù)雜得多，因?yàn)榱孔颖忍責(zé)o法復(fù)制，正如不可克隆定理所解釋的那樣。

量子比特有兩種類型：由物理量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的物理量子比特和由若干物理量子比特和糾錯(cuò)碼組成的邏輯量子比特。邏輯量子比特是一種完美或接近完美的量子比特，具有很長(zhǎng)到無(wú)限的相干時(shí)間、很高的保真度和較高的抗環(huán)境干擾性。例如，基于表面糾錯(cuò)協(xié)議，對(duì)于一個(gè)邏輯量子比特，根據(jù)算法，最多需要10000個(gè)物理量子比特[23]。有關(guān)量子計(jì)算的最新概述，請(qǐng)參見(jiàn)[24]。

領(lǐng)先的量子計(jì)算機(jī)，例如谷歌制造的具有53個(gè)物理超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算機(jī)(谷歌在2019年聲稱擁有量子霸權(quán)[25])，以及IBM制造的量子計(jì)算機(jī)。最好的囚禁離子量子計(jì)算機(jī)是IonQ的32量子比特或霍尼韋爾的20量子比特。IBM和谷歌的量子計(jì)算路線圖設(shè)想的預(yù)期時(shí)間線如下：IBM計(jì)劃在2022年推出433量子比特的量子處理器，到2023年推出1121量子比特量子處理器[26]。谷歌宣布了一項(xiàng)計(jì)劃，將實(shí)現(xiàn)一個(gè)10000量子比特的量子模塊。2029年，所有其他量子處理器都將由高達(dá)100萬(wàn)量子比特的模塊組成[27]。根據(jù)對(duì)量子科學(xué)和技術(shù)關(guān)鍵相關(guān)領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者的調(diào)查，量子計(jì)算機(jī)很可能在大約20年后開(kāi)始變得足夠強(qiáng)大，足以對(duì)大多數(shù)公鑰加密方案構(gòu)成威脅（更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)第3.2.2節(jié)）[28]。模擬量子計(jì)算機(jī)的例子包括超過(guò)5000個(gè)量子比特的D-Wave系統(tǒng)的量子退火機(jī)和東芝的相干伊辛機(jī)。

模擬量子計(jì)算機(jī)和數(shù)字量子計(jì)算機(jī)的區(qū)別在于物理原理的不同，以及各自的局限性。數(shù)字量子計(jì)算機(jī)受限于資源而不是噪聲(噪聲可以用更多的資源修正)。相比之下，模擬量子計(jì)算機(jī)受到難以理解、控制和表征的噪聲的限制(尤其是對(duì)于量子退火機(jī))。因此，模擬量子計(jì)算機(jī)的適用性是有限的[24]。

實(shí)際上，量子計(jì)算機(jī)完成的任務(wù)大多只是經(jīng)典計(jì)算機(jī)程序的子程序或子例程。經(jīng)典程序不僅能控制量子計(jì)算機(jī)，還能提供大量在量子計(jì)算機(jī)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的計(jì)算。這包括量子模擬在化學(xué)中的最新應(yīng)用，例如使用變分量子本征求解器(VQE)[29]，這是經(jīng)典和量子計(jì)算的混合組合。此外，量子計(jì)算機(jī)是大型機(jī)器，其中許多需要低溫技術(shù)。因此，在未來(lái)幾十年里，大多數(shù)客戶不太可能購(gòu)買個(gè)人量子計(jì)算機(jī)，而是將其作為云服務(wù)來(lái)訪問(wèn)。

基于云的量子計(jì)算模型(通常稱為量子計(jì)算即服務(wù)——QCaaS)如今已經(jīng)商業(yè)化，甚至是免費(fèi)的，并且它們?cè)试S任何對(duì)量子計(jì)算感興趣的人訪問(wèn)。量子計(jì)算機(jī)的云訪問(wèn)由各個(gè)量子硬件制造商提供。一些平臺(tái)，如微軟Azure Quantum或亞馬遜Braket，可以在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中訪問(wèn)不同制造商的量子計(jì)算機(jī)。

這也有助于闡明量子霸權(quán)、優(yōu)勢(shì)及實(shí)用性（supremacy、advantage和practicality）。量子霸權(quán)是指量子計(jì)算機(jī)解決特定問(wèn)題的速度明顯快于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。然而，這個(gè)問(wèn)題很可能是理論上的，而不是實(shí)際的。量子優(yōu)勢(shì)指的是量子計(jì)算機(jī)能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的情況。量子實(shí)用性與量子優(yōu)勢(shì)類似，唯一的區(qū)別是量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快地解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題。

下面將對(duì)量子計(jì)算機(jī)可能的應(yīng)用進(jìn)行基本概述。讀者應(yīng)該記住，量子計(jì)算是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，新的革命性的量子算法仍有待發(fā)現(xiàn)。注意，在量子計(jì)算應(yīng)用的上下文中，量子比特是指邏輯量子比特。不過(guò)，小型量子電路可以只用物理量子比特運(yùn)行，精度合理。

3.2.1量子模擬

現(xiàn)狀：開(kāi)發(fā)中的算法，小規(guī)模應(yīng)用

影響應(yīng)用的因素：新能力(如量子化學(xué)計(jì)算)

時(shí)間線預(yù)期：近期內(nèi)，可用性隨著量子比特的數(shù)量而增加

量子比特要求：200(例如用于固氮問(wèn)題)

主要挑戰(zhàn)：邏輯量子比特的數(shù)量

早在第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)誕生之前，量子計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)就是模擬其他量子系統(tǒng)[30]，分子就是這樣一個(gè)量子系統(tǒng)。盡管現(xiàn)有的計(jì)算能力有所提高，但使用目前的計(jì)算化學(xué)只能對(duì)較簡(jiǎn)單的分子進(jìn)行完全模擬，或者以許多近似和簡(jiǎn)化為代價(jià)對(duì)較大的分子進(jìn)行完全模擬。例如，對(duì)于一個(gè)有n個(gè)電子的系統(tǒng)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要2n個(gè)比特來(lái)描述電子的狀態(tài)，而量子計(jì)算機(jī)只需要n個(gè)量子比特。因此，量子模擬是量子計(jì)算機(jī)的第一個(gè)應(yīng)用，也可能是最有前途的應(yīng)用。

最主要的方法有兩種：量子相位估計(jì)[31]和量子變分技術(shù)(VQE)[32，33]。特別是后一種方法在NISQ計(jì)算機(jī)上最有可能成功；例如，2020年，谷歌進(jìn)行了最大的量子化學(xué)模擬(使用VQE對(duì)H12分子進(jìn)行模擬)[34]。

量子化學(xué)模擬的算法正在開(kāi)發(fā)中。它們可以應(yīng)用于更復(fù)雜的模擬，與量子比特的數(shù)量密切相關(guān)。因此，即使在量子計(jì)算的早期階段，化學(xué)和制藥行業(yè)也對(duì)量子計(jì)算有很大的興趣。一般來(lái)說(shuō)，這種模擬可以發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)新的藥物、化學(xué)物質(zhì)和材料。例如，高溫超導(dǎo)、更好的電池、蛋白質(zhì)折疊、固氮和肽研究。

3.2.2量子密碼分析

現(xiàn)狀：算法就緒

影響應(yīng)用的因素：新功能(例如破解公鑰加密方案)

時(shí)間線預(yù)期：中遠(yuǎn)期

量子比特要求：6200用于2048位RSA因式分解[35]，2900用于256位ECDLP加密[36]

主要挑戰(zhàn)：邏輯量子比特的數(shù)量

最著名的量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用之一是通過(guò)Shor算法指數(shù)加速地對(duì)大素?cái)?shù)進(jìn)行因式分解[37]。這是對(duì)公鑰密碼體制的威脅，例如RSA、DH和ECC，基于大素?cái)?shù)乘法、離散對(duì)數(shù)問(wèn)題或基于橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問(wèn)題的方案，這些方案被認(rèn)為在計(jì)算上難以解決，或者對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)非常困難。

雖然現(xiàn)有的NISQ量子計(jì)算機(jī)的資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到RSA破解所需要的，但威脅是相當(dāng)真實(shí)的。在量子密碼分析變得可用之前，對(duì)手或外國(guó)情報(bào)機(jī)構(gòu)可以攔截并存儲(chǔ)加密的流量。因?yàn)樵S多秘密的解密時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)交付的預(yù)期時(shí)間線，所以現(xiàn)在這種威脅可以被認(rèn)為是真實(shí)的。

量子密碼分析也為對(duì)稱加密方案的暴力攻擊提供了改進(jìn)的工具。例如，眾所周知的Grover搜索算法[38]針對(duì)暴力攻擊將密鑰安全性降低了一半；一個(gè)256位的AES密鑰可以在大約2128次量子運(yùn)算中被強(qiáng)力破解。盡管量子計(jì)算機(jī)需要大量的資源，但還是建議將對(duì)稱密鑰長(zhǎng)度加倍[39]。而且Simon算法和疊加查詢[40]可以完全破解大部分消息認(rèn)證碼(MAC)，以及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的認(rèn)證加密(AEAD)，如HMAC-CBC和AES-GCM[41，42]。

此外，基于對(duì)稱密碼系統(tǒng)中存在的結(jié)構(gòu)，人們對(duì)對(duì)稱密鑰系統(tǒng)的密碼分析攻擊進(jìn)行了積極研究，這可以提供高達(dá)超多項(xiàng)式的加速[43]。然而，這些算法對(duì)量子計(jì)算機(jī)的資源要求過(guò)高。

3.2.3量子搜索和量子行走

現(xiàn)狀：算法正在開(kāi)發(fā)中

影響應(yīng)用的因素：有效性(例如，更快的搜索)

時(shí)間線預(yù)期：近中期

量子比特要求：~100，取決于搜索系統(tǒng)的大小

主要挑戰(zhàn)：邏輯量子比特的數(shù)量

最著名的搜索量子算法之一是Grover算法[38]，它在數(shù)據(jù)庫(kù)搜索中或者通常在反轉(zhuǎn)函數(shù)中提供平方加速。對(duì)于未排序的列表或數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)典搜索算法的復(fù)雜度大約為O(N)(意味著與N個(gè)實(shí)體的數(shù)量成比例)，而Grover算法的復(fù)雜度大約為。

量子搜索算法是所謂的大數(shù)據(jù)(非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù))分析的重要課題。處理大量數(shù)據(jù)需要大容量的量子存儲(chǔ)器。然而，沒(méi)有可靠的量子存儲(chǔ)器可以將大量量子信息保存任意長(zhǎng)的時(shí)間。第二，將經(jīng)典數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成量子形式既費(fèi)時(shí)又低效。因此，目前只有對(duì)算法生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索才被認(rèn)為是可行的。

另一種搜索方法可以基于量子隨機(jī)行走機(jī)制[44]，它提供了與Grover算法類似的加速。

3.2.4 量子優(yōu)化

現(xiàn)狀：算法開(kāi)發(fā)中

影響應(yīng)用的因素：有效性(例如更快地解決NP問(wèn)題)

時(shí)間線預(yù)期：近中期

量子比特要求：100，取決于問(wèn)題的復(fù)雜程度

主要挑戰(zhàn)：邏輯量子比特的數(shù)量

考慮到解決NP復(fù)雜問(wèn)題的可能性，量子優(yōu)化是一個(gè)非?；钴S的探索主題。這種NP問(wèn)題的一個(gè)例子是旅行商問(wèn)題，給定一個(gè)地點(diǎn)列表和它們之間的距離，目標(biāo)是找到最短（最優(yōu)）的路線。天真地說(shuō)，一個(gè)人可以嘗試所有的可能性，但這種方法有嚴(yán)重的缺點(diǎn)。隨著復(fù)雜性的增加，甚至可能變得不可能。因此，最常見(jiàn)的解決方案是基于啟發(fā)式算法，這些算法不一定能找到最優(yōu)解，但至少能找到一個(gè)接近它的解。

量子計(jì)算在這個(gè)問(wèn)題上引入了一個(gè)新的視角，并提供了不同的方法和技術(shù)。目前最主要的方法是基于變分法，如量子近似優(yōu)化算法(QAOA)[45]。QAOA的一部分是稱為二次無(wú)約束二進(jìn)制優(yōu)化(QUBO)[46]的子技術(shù)，它也適用于模擬量子計(jì)算機(jī)。其他方法有最小二乘擬合的量子模擬[47]或半定規(guī)劃[48]。

到目前為止，還不清楚量子優(yōu)化是否會(huì)提供一些相對(duì)于經(jīng)典啟發(fā)式方法的加速。然而，有一個(gè)共識(shí)，如果一些加速是可以實(shí)現(xiàn)的，它不會(huì)超過(guò)多項(xiàng)式[48]。量子計(jì)算引入的新范式導(dǎo)致了新的量子啟發(fā)的經(jīng)典算法，例如沒(méi)有量子加速的QAOA [49]。另一方面，我們可以說(shuō)量子啟發(fā)的算法是量子計(jì)算的第一個(gè)實(shí)際成果。

對(duì)于量子優(yōu)化，已經(jīng)有許多演示、使用案例和概念證明，尤其在模擬量子計(jì)算方面，模擬量子計(jì)算目前為此類應(yīng)用提供了最多的量子計(jì)算資源。典型的演示是針對(duì)交通、物流或金融行業(yè)的優(yōu)化。

3.2.5 量子線性代數(shù)

現(xiàn)狀：算法開(kāi)發(fā)中

影響應(yīng)用的因素：有效性(例如，更快的線性方程求解)

時(shí)間線預(yù)期：近中期

量子比特要求：取決于求解的系統(tǒng)大小

主要挑戰(zhàn)：邏輯量子比特的數(shù)量

研究表明，量子計(jì)算機(jī)在求解線性方程組時(shí)也能達(dá)到超多項(xiàng)式加速，尤其是對(duì)于稀疏矩陣的HHL(Harrow-Hassidim-Lloyd)[50]算法。但是，估計(jì)的加速取決于問(wèn)題(矩陣)的大小，還有大量的資源需求，這對(duì)于某些問(wèn)題來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的[51]。另一方面，例如，對(duì)于10000個(gè)參數(shù)的線性方程組，需要10000個(gè)步驟來(lái)求解，而HHL可以在13個(gè)步驟之后提供近似解。

目前，規(guī)劃、工程、建筑和天氣預(yù)報(bào)中的許多數(shù)值模擬都將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)化為線性方程組。對(duì)其中許多問(wèn)題來(lái)說(shuō)，由于本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)的，近似解可能就足夠了。

請(qǐng)注意，HHL算法被證明是量子計(jì)算的通用算法，并被證明適用于各種應(yīng)用，如k-均值聚類、支持向量機(jī)、數(shù)據(jù)擬合等。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱[52]。

處理大量輸入數(shù)據(jù)的量子算法的一個(gè)主要注意事項(xiàng)是數(shù)據(jù)加載。經(jīng)典數(shù)據(jù)，尤其是二進(jìn)制數(shù)據(jù)或比特，需要被轉(zhuǎn)換成量子態(tài)，以便通過(guò)高效的量子算法進(jìn)行后續(xù)處理。這個(gè)過(guò)程很慢，而且經(jīng)典數(shù)據(jù)加載本身可能需要比相干時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間。解決方案是量子存儲(chǔ)器或量子RAM[52,53]。

3.2.6 量子機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能

現(xiàn)狀：算法開(kāi)發(fā)中

影響應(yīng)用的因素：有效性(例如更好的機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化)

時(shí)間線預(yù)期：近中期

量子比特要求：100，取決于問(wèn)題的復(fù)雜程度

主要挑戰(zhàn)：邏輯量子比特的數(shù)量

鑒于圍繞經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能（ML/AI）的炒作，可以預(yù)計(jì)，在這個(gè)主題上也會(huì)有量子研究。首先，請(qǐng)注意，考慮到處理經(jīng)典數(shù)據(jù)的效率非常低[54]，人們不能期望得到完整的量子ML/AI，如果考慮到丟失的量子內(nèi)存以及將經(jīng)典數(shù)據(jù)（例如圖片數(shù)據(jù)）加載和編碼到量子信息格式的速度非常慢，則更是如此。這根本不實(shí)際。當(dāng)ML/AI應(yīng)用于量子數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)另一種情況；例如，量子傳感器或成像[55]。

然而，可以引入量子增強(qiáng)的ML/AI[56，57]，其中量子計(jì)算可以改善一些機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，如量子采樣、線性代數(shù)(其中機(jī)器學(xué)習(xí)是關(guān)于在高維線性空間中處理復(fù)雜向量的)或量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[54]，例如量子支持向量機(jī)[58]。

事實(shí)上，ML/AI主題涵蓋了各種技術(shù)和方法，它與量子計(jì)算沒(méi)有什么不同。量子ML/AI或量子增強(qiáng)ML/AI是當(dāng)今許多研究工作的主題。有關(guān)量子ML/AI算法及其可能的加速的研究，參見(jiàn)[59]。

3.3量子通信和密碼學(xué)

量子通信是指通過(guò)使用光纖或自由空間信道的量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的量子信息交換。在大多數(shù)情況下，量子通信是使用光子作為量子信息載體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，由于光子的局限性，例如遠(yuǎn)距離的損耗，量子網(wǎng)絡(luò)需要包含其他元件，如量子中繼器或量子開(kāi)關(guān)。

量子密碼的目標(biāo)是用量子密鑰分發(fā)（QKD）等技術(shù)取代傳統(tǒng)的(主要是非對(duì)稱的)加密方案。用于量子通信的典型量子特征如下：量子糾纏、量子不確定性和量子信息無(wú)法復(fù)制的不可克隆理論[18，60]。

3.3.1 量子網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)狀：正在研究中(僅限帶有可信節(jié)點(diǎn)的QKD商用)

影響應(yīng)用的因素：新能力、有效性(例如超安全通信、量子彈性加密)

時(shí)間線預(yù)期：中期

主要挑戰(zhàn)：量子中繼器和開(kāi)關(guān)(量子存儲(chǔ)器)

量子網(wǎng)絡(luò)(有時(shí)稱為量子互聯(lián)網(wǎng)[61]或量子信息網(wǎng)絡(luò)(QIN))的目標(biāo)是通過(guò)多種技術(shù)在各種通道上傳輸量子信息。量子信息(量子比特)通常由單個(gè)光子攜帶，因此量子信息傳輸是脆弱的。此外，許多量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用依賴于量子糾纏。

量子信息傳輸?shù)某Ｓ眯诺朗菍ｉT的低損耗光纖或當(dāng)前損耗較高的電信光纖基礎(chǔ)設(shè)施。兩個(gè)通信端點(diǎn)相互靠近的情況就像使用一根光纖一樣簡(jiǎn)單。網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性隨著更多的終端節(jié)點(diǎn)或距離的增加而增加，其中需要諸如量子中繼器或量子開(kāi)關(guān)的組件。請(qǐng)注意，對(duì)于大多數(shù)量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，非常小(一個(gè)量子比特)的量子處理器就足夠了。

自由空間量子信道更具挑戰(zhàn)性。由于強(qiáng)烈的大氣衰減，光學(xué)或近光學(xué)光子在大氣中的用途有限。因此，最?？紤]和實(shí)現(xiàn)的量子網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景是使用量子衛(wèi)星[62，63]。衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)是可以利用光-光子通信來(lái)傳輸量子信息，其中衛(wèi)星-地面鏈路中的損耗低于兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的地面節(jié)點(diǎn)之間的損耗。然而，光子在自由空間通道中的短距離通信可以通過(guò)無(wú)人機(jī)等實(shí)現(xiàn)[64]。最好的方法是使用經(jīng)典無(wú)線通信所使用的微波頻譜。然而，在單個(gè)光子水平上使用微波頻譜的通信更具挑戰(zhàn)性[65]。微波單光子技術(shù)在產(chǎn)生和檢測(cè)單個(gè)光子方面有更大的困難。另一個(gè)問(wèn)題是微波波段的噪聲環(huán)境。

由于光子損失和退相干，遠(yuǎn)距離的量子通信需要量子中繼器。量子中繼器是一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，其工作方式類似于經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)中的放大器，但需要遵守不可克隆定理。事實(shí)上，量子中繼器允許糾纏終端節(jié)點(diǎn)的量子比特。當(dāng)兩個(gè)末端節(jié)點(diǎn)糾纏時(shí)，可以利用量子隱形傳態(tài)的效果[66]。這意味著量子信息可以在沒(méi)有物理發(fā)送光子的情況下進(jìn)行傳輸；只需要一個(gè)經(jīng)典的通信。利用量子糾纏，量子信息可以流經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)或其一部分，甚至可以在竊聽(tīng)者的控制下，沒(méi)有任何機(jī)會(huì)泄露傳輸?shù)牧孔有畔?。為了使量子中繼器正常工作，需要量子存儲(chǔ)器。然而，目前還沒(méi)有可靠實(shí)用的量子存儲(chǔ)器。

作為中間步驟，可以使用可信中繼器?？尚胖欣^器不會(huì)糾纏終端節(jié)點(diǎn)，僅用于量子密鑰分發(fā)(QKD，見(jiàn)下一節(jié)3.3.2)。為了說(shuō)明它是如何工作的，讓我們考慮兩方A和B以及一個(gè)可信中繼器R。然后用密鑰kAR加密密鑰kAB。可信中繼器R解密kAR以獲得kAB。此時(shí)，可信中繼器R知道密鑰kAB，A和B必須相信該密鑰是安全的，并且不受竊聽(tīng)者的控制。最后，R使用密鑰kRB重新加密kAB，并將其發(fā)送給B。這是目前QKD網(wǎng)絡(luò)中使用的一種技術(shù)。

下一步，目前在實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的是測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的QKD(MDI-QKD)[67，68]。它是這樣一個(gè)量子協(xié)議，不僅用安全中繼器替代可信中繼器(仍然不是量子，不支持糾纏)，還充當(dāng)交換機(jī)。這意味著通常的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜突A(chǔ)設(shè)施可以開(kāi)始建設(shè)。注意，在MDI-QKD網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)中心節(jié)點(diǎn)的攻擊在物理上既不能泄露密鑰，也不能泄露敏感信息。之后，中心節(jié)點(diǎn)將被量子開(kāi)關(guān)和中繼器所取代，從而實(shí)現(xiàn)全功能的量子信息網(wǎng)絡(luò)。

量子網(wǎng)絡(luò)將與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)并行工作，因?yàn)椴⒎撬袀鬏數(shù)男畔⒍夹枰昧孔有畔⒕幋a。例如，量子隱形傳態(tài)需要并行經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)，量子網(wǎng)絡(luò)可用于以下應(yīng)用：

量子密鑰分發(fā)(QKD)，加密密鑰的安全傳輸(參見(jiàn)第3.3.2節(jié))；

遠(yuǎn)距離量子計(jì)算機(jī)或量子計(jì)算集群之間的量子信息傳輸，或遠(yuǎn)程量子能力共享；

盲量子計(jì)算[69，70]允許在所有者或竊聽(tīng)者不知道算法或結(jié)果是什么的情況下，將量子算法傳輸?shù)搅孔佑?jì)算機(jī)，執(zhí)行計(jì)算并檢索結(jié)果；

網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步[71]，參見(jiàn)第3.4.2節(jié)；

安全識(shí)別[72],允許識(shí)別而不泄露認(rèn)證憑證；

量子位置驗(yàn)證[73]允許驗(yàn)證另一方的位置；

多個(gè)量子計(jì)算機(jī)的分布式量子計(jì)算[74，75]，允許作為一個(gè)量子計(jì)算機(jī)計(jì)算任務(wù)；

共識(shí)和協(xié)議任務(wù)，指的是所謂的拜占庭協(xié)議(盡管對(duì)手進(jìn)行了干預(yù)，但團(tuán)隊(duì)仍對(duì)一個(gè)輸出做出決定的問(wèn)題)。與經(jīng)典復(fù)雜度相比，量子版本[76]的復(fù)雜度可以達(dá)到O(1)。

糾纏傳感器網(wǎng)絡(luò)[77，78]可以提高傳感器的靈敏度和減少誤差，并評(píng)估全局屬性，而不是收集系統(tǒng)特定部分的數(shù)據(jù)。

量子網(wǎng)絡(luò)允許量子計(jì)算機(jī)之間直接安全的量子通信，量子數(shù)據(jù)可以直接交換。主要是當(dāng)一個(gè)巨大的任務(wù)可以劃分為較小的任務(wù)時(shí)，這有助于根據(jù)單個(gè)量子計(jì)算機(jī)的性能有效地重新分配計(jì)算任務(wù)。另一種例子是量子云，量子數(shù)據(jù)可以在多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)之間共享。此外，能否建造一臺(tái)獨(dú)立的高性能量子計(jì)算機(jī)也是個(gè)問(wèn)題。更有可能通過(guò)分布式量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)[74，75]，其中許多量子計(jì)算機(jī)將通過(guò)量子網(wǎng)絡(luò)連接。

3.3.2 量子密鑰分發(fā)

現(xiàn)狀：商用(帶可信中繼器)

影響應(yīng)用的因素：新能力

時(shí)間線預(yù)期：近期

主要挑戰(zhàn)：安全量子中繼器(量子存儲(chǔ)器)，物理硬件的安全認(rèn)證

量子密鑰分發(fā)(QKD)是量子通信最成熟的應(yīng)用。目標(biāo)是在兩方或多方之間為通過(guò)經(jīng)典信道分發(fā)的加密數(shù)據(jù)分發(fā)密鑰。由于不可克隆定理，任何竊聽(tīng)者都必須執(zhí)行一個(gè)可被通信方檢測(cè)到的測(cè)量。

主要的協(xié)議有兩類:一類基于BB84 (Bennett-Brassard 1984)協(xié)議[79]，另一類基于E91 (Ekert 1991)協(xié)議[80]。占主導(dǎo)地位的BB84協(xié)議在技術(shù)上更簡(jiǎn)單，但需要生成量子隨機(jī)數(shù)(參見(jiàn)第。3.3.4)，并且提供方必須在分發(fā)之前準(zhǔn)備密鑰。協(xié)議E91利用量子糾纏在分發(fā)過(guò)程中生成密鑰，并且各方同時(shí)知道密鑰。在該協(xié)議中，不需要量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。然而，量子糾纏的技術(shù)解決方案更具挑戰(zhàn)性。這兩類協(xié)議在信息理論上都是安全的。

理論上，QKD在傳輸過(guò)程中是無(wú)法穿透的。然而，典型的攻擊可能集中在最終(接收器/發(fā)射器)或中間節(jié)點(diǎn)，其中軟件層的硬件可能包含漏洞，例如控制軟件中的錯(cuò)誤、不完善的單光子源、各方驗(yàn)證問(wèn)題等。這是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。例如，不完善的物理硬件可能會(huì)被光子數(shù)分裂（PNS）[81]或特洛伊木馬[82]攻擊所濫用。在這里，硬件和軟件的安全認(rèn)證是必要的，并且需要時(shí)間。

除了可信中繼器，另一個(gè)弱點(diǎn)是量子比特傳輸速率太慢，無(wú)法分發(fā)長(zhǎng)密鑰。一種新的高傳輸速率的單光子源可以解決這個(gè)問(wèn)題。

目前，QKD技術(shù)可進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用，例如短距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接或遠(yuǎn)距離使用可信中繼器?？尚胖欣^器可以是一顆太空衛(wèi)星，中國(guó)已經(jīng)證明了這一點(diǎn)[62，63]。

3.3.3 后量子密碼

現(xiàn)狀：算法就緒

影響應(yīng)用的因素：必須有

時(shí)間線預(yù)期：近期

主要挑戰(zhàn)：標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)施

后量子密碼(有時(shí)被稱為量子證明、量子安全或抗量子密碼)代表了一個(gè)抵抗未來(lái)量子計(jì)算機(jī)攻擊的加密技術(shù)領(lǐng)域。目前，對(duì)于大多數(shù)使用公鑰技術(shù)的非對(duì)稱加密來(lái)說(shuō)，情況并非如此。另一方面，大多數(shù)對(duì)稱密碼算法和哈希函數(shù)被認(rèn)為相對(duì)安全，可以抵御量子計(jì)算機(jī)的攻擊[83]。但還是建議將對(duì)稱密鑰長(zhǎng)度加倍[39]。

現(xiàn)在，有幾種方法被認(rèn)為是抗量子的。例如基于格的密碼[84]、超奇異橢圓曲線同源密碼[85]、基于哈希的密碼[86]、基于多變量的密碼[87]、基于編碼的密碼[88]和抗量子對(duì)稱密鑰。

與QKD不同，從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，所有這些算法都不是可證明安全的。因此，在標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，所有這些算法都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和分析，包括實(shí)現(xiàn)。不存在最糟糕的情況，即經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以破解實(shí)現(xiàn)中有缺陷的抗量子算法[89]。最受關(guān)注的的標(biāo)準(zhǔn)化工作是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的工作[90]。NIST標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程預(yù)計(jì)將于2023-2024年結(jié)束。不管怎樣，現(xiàn)在越來(lái)越多的商業(yè)供應(yīng)商正在提供新的抗量子加密解決方案。

3.3.4量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

現(xiàn)狀：商用

影響應(yīng)用的因素：新功能(真正的隨機(jī)數(shù)生成)

時(shí)間線預(yù)期：近期

主要挑戰(zhàn)：提高比特率

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(RNG)對(duì)于許多應(yīng)用是必不可少的，例如蒙特卡羅模擬和積分、密碼運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)游戲。然而，經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的RNG，因?yàn)樗谴_定性的，所以不是真正隨機(jī)的，被稱為偽隨機(jī)數(shù)生成。然而，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，偽RNG就足夠了。

另一方面，生成強(qiáng)密鑰是安全的基石，只有通過(guò)真正的隨機(jī)數(shù)生成器才能實(shí)現(xiàn)。一種解決方案是基于硬件的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(QRNG)。此外，QRNG是基于BB84的QKD協(xié)議的關(guān)鍵部分，是可證明安全的。

QRNG可用于任何加密技術(shù)，并使所有加密技術(shù)變得更好。與其他RNG不同，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的優(yōu)勢(shì)之一是它可以被驗(yàn)證和認(rèn)證[91]。

3.4 量子傳感和計(jì)量

量子傳感和計(jì)量是最成熟的量子技術(shù)領(lǐng)域，它可以改善計(jì)時(shí)、傳感或成像。例如，第一次量子革命的原子鐘已經(jīng)成為全球定位系統(tǒng)(GPS)的一部分將近半個(gè)世紀(jì)了。目前的量子時(shí)鐘具有更高的時(shí)間測(cè)量精度。

量子傳感代表所有測(cè)量外部磁場(chǎng)或電場(chǎng)、重力梯度、加速度和旋轉(zhuǎn)等各種物理變量的量子技術(shù)。量子傳感器可以產(chǎn)生關(guān)于電信號(hào)、磁異常和慣性導(dǎo)航的非常精確的信息。

量子成像是量子光學(xué)的一個(gè)分支，利用光子相關(guān)性，可以抑制噪聲并提高成像物體的分辨率。量子成像協(xié)議被考慮用于量子雷達(dá)、在光學(xué)不可滲透的環(huán)境中探測(cè)物體以及醫(yī)學(xué)成像。

量子傳感和計(jì)量技術(shù)依賴于以下一個(gè)或多個(gè)特征：量子能級(jí)、量子相干和量子糾纏[92]。單個(gè)量子傳感器具有不同的指標(biāo)，這些指標(biāo)因應(yīng)用而異。常見(jiàn)的指標(biāo)有：靈敏度(在1秒后給出單位信噪比的信號(hào))、動(dòng)態(tài)范圍(最小和最大可檢測(cè)信號(hào))、采樣率(信號(hào)采樣頻率)、工作溫度等。導(dǎo)出的關(guān)鍵指標(biāo)包括，例如，特定距離的空間分辨率和達(dá)到特定靈敏度所需的時(shí)間。典型測(cè)量量是磁場(chǎng)和電場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)、時(shí)間、力、溫度和光子計(jì)數(shù)。

3.4.1量子電、磁和慣性力傳感

現(xiàn)狀：實(shí)驗(yàn)室原型

影響應(yīng)用的因素：精度、新能力

時(shí)間線預(yù)期：近期到遠(yuǎn)期

主要挑戰(zhàn)：微型化、冷卻

很多傳感量子技術(shù)都是通用的，可以測(cè)量各種物理量。每項(xiàng)技術(shù)的詳細(xì)描述不在本報(bào)告的討論范圍之內(nèi)；但是，提供了一個(gè)基本概述。許多應(yīng)用包括各種量子技術(shù)。例如，量子慣性導(dǎo)航包括三種類型的傳感：加速度、旋轉(zhuǎn)和時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，許多應(yīng)用都需要精確的基于量子的定時(shí)，而不僅僅是量子技術(shù)。有關(guān)量子計(jì)時(shí)，請(qǐng)參見(jiàn)第3.4.2節(jié)。最有前途的技術(shù)是：原子蒸氣、冷原子干涉測(cè)量、氮-空位色心、超導(dǎo)電路和囚禁離子。

冷原子干涉測(cè)量法(測(cè)量的量：磁場(chǎng)、慣性力、時(shí)間)。在極低溫度下冷卻的原子表現(xiàn)出類似波的行為，對(duì)與其質(zhì)量相互作用的所有力都很敏感。這些變化可以在干涉圖中觀察到[5，92，93]。具體實(shí)現(xiàn)可以是拉曼原子干涉測(cè)量法、原子布洛赫振蕩或其他形式[94–96]。例如，在重力測(cè)量中，基于量子的重力儀有可能達(dá)到比最好的經(jīng)典重力儀高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的精度。這種精密的重力儀能夠以厘米級(jí)的分辨率對(duì)地球表面和地下進(jìn)行非常詳細(xì)的測(cè)繪。關(guān)于慣性導(dǎo)航，振動(dòng)晶格干涉測(cè)量法有可能克服最先進(jìn)的原子干涉測(cè)量技術(shù)的缺點(diǎn)，并可以同時(shí)用作加速度計(jì)和陀螺儀[97]。仍然存在一些挑戰(zhàn)，一些最大的挑戰(zhàn)是將量子傳感器集成到一個(gè)量子慣性測(cè)量單元中，用于冷卻原子并同時(shí)保持相干性(抑制與噪聲環(huán)境的相互作用)的激光冷卻設(shè)備的微型化，或者在實(shí)驗(yàn)室外保持冷原子傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。然而，這一領(lǐng)域也取得了重大進(jìn)展，例如[98]，綜述見(jiàn)[99]。

囚禁離子(測(cè)量的量：電場(chǎng)和磁場(chǎng)、慣性力、時(shí)間)。囚禁離子是最通用的傳感平臺(tái)之一[100–102]。受到良好控制的囚禁離子形成一個(gè)具有量化運(yùn)動(dòng)模式的晶體。任何干擾都可以通過(guò)這些模式之間的轉(zhuǎn)換來(lái)測(cè)量。單個(gè)被囚禁的離子可以作為時(shí)間的精確測(cè)量，或者作為量子計(jì)算機(jī)中的量子比特。對(duì)于慣性導(dǎo)航，在1、2和3維陣列中囚禁冷原子的光學(xué)晶格技術(shù)有可能提供亞厘米級(jí)的尺寸，除了可以測(cè)量重力和慣性參數(shù)外，它還可以測(cè)量卡西米爾或范德華力。最近，利用量子糾纏囚禁離子，電場(chǎng)測(cè)量的靈敏度達(dá)到了[103],比經(jīng)典方法高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

氮-空位(NV)色心(測(cè)量的量：電場(chǎng)和磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)、溫度、壓力)。金剛石晶體中的NV色心是一個(gè)與外部磁場(chǎng)耦合的電子自旋量子比特。此外，使用貝里相位的負(fù)電荷NV色心可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)。一般來(lái)說(shuō)，基于NV色心的傳感器在各種條件下，都具有高靈敏度、低生產(chǎn)和操作成本[92，104，105]。特別是，基于NV色心的技術(shù)也可以在室溫和更高的溫度下工作。一種新提出的3D設(shè)計(jì)可以同時(shí)感知磁性、加速度、速度、旋轉(zhuǎn)或引力的所有三個(gè)分量[106]。NV色心在金剛石傳感方面的優(yōu)勢(shì)在于空間分辨率和靈敏度。另一方面，面臨的挑戰(zhàn)是選擇、實(shí)施和制造單個(gè)NV色心或它們的組合。在電場(chǎng)感應(yīng)的情況下，定義靈敏度具有挑戰(zhàn)性[107]。

超導(dǎo)電路(測(cè)量的量：電場(chǎng)和磁場(chǎng))。基于約瑟夫森效應(yīng)的超導(dǎo)電路技術(shù)描述了兩個(gè)超導(dǎo)體之間的量子隧穿效應(yīng)[92]。這項(xiàng)技術(shù)允許在宏觀尺度上制造量子系統(tǒng)，并且可以用微波信號(hào)進(jìn)行有效控制。超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)是最好的磁力計(jì)傳感器之一。但是，缺點(diǎn)是需要低溫運(yùn)行。注意，對(duì)于小于地磁噪聲的磁場(chǎng)變化的測(cè)量，優(yōu)選的設(shè)計(jì)是基于傳感器陣列來(lái)消除與應(yīng)用的空間相關(guān)性，例如在醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中(例如MRI或分子標(biāo)記)。最近的發(fā)展表明，量子計(jì)算機(jī)中使用的超導(dǎo)量子比特也可以用于測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)[92]。

原子蒸氣(測(cè)量的量：磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)、時(shí)間)。自旋極化的高密度原子蒸氣在可以光學(xué)測(cè)量的外部磁場(chǎng)下經(jīng)歷狀態(tài)轉(zhuǎn)變[92，108，109]，一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在室溫下展開(kāi)。原子蒸氣適用于旋轉(zhuǎn)傳感，稱為原子自旋陀螺儀(AGS)，AGS可以是芯片級(jí)的[5]。相比之下，最好的經(jīng)典旋轉(zhuǎn)傳感器非常精確(例如環(huán)形激光陀螺儀)，預(yù)期的量子傳感器將會(huì)精確兩倍。然而，最佳經(jīng)典陀螺儀的尺寸為4×4m，這對(duì)于量子設(shè)備是不切實(shí)際的[110]?；谠酉稻C的原子蒸氣室磁力儀（atomic vapour cell magnetometers）有可能超過(guò)SQUID磁力儀，并在室溫下工作[92]。

3.4.2 量子時(shí)鐘

現(xiàn)狀：實(shí)驗(yàn)室原型

影響應(yīng)用的因素：精確度

時(shí)間線預(yù)期：近中期

主要挑戰(zhàn)：微型化

原子鐘已經(jīng)伴隨我們幾十年了；例如作為GPS衛(wèi)星的一部分。目前的原子鐘基于原子物理學(xué)，當(dāng)改變能級(jí)時(shí)，電子的電磁發(fā)射會(huì)發(fā)出滴答聲。原子鐘是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，基于原子噴泉或熱原子束和磁狀態(tài)選擇原理的原子鐘可以達(dá)到相對(duì)不確定度~10-15-10-16[111]，或者最先進(jìn)的芯片尺寸原子鐘的不確定度為2×10-12[5]。

第二次量子革命帶來(lái)了原子鐘或量子時(shí)鐘的新原理。量子邏輯時(shí)鐘基于單離子，這是一種與量子計(jì)算中的囚禁離子量子比特相關(guān)的技術(shù)[101]。量子邏輯時(shí)鐘是第一個(gè)時(shí)鐘不確定度低于10-18[112]的時(shí)鐘，量子時(shí)鐘也可以從量子糾纏中受益[113]。

后來(lái)，量子邏輯時(shí)鐘被實(shí)驗(yàn)光學(xué)晶格時(shí)鐘所取代。請(qǐng)注意，目前的原子鐘使用微波頻率，即能級(jí)之間的躍遷會(huì)發(fā)射微波光子。用光頻中的發(fā)射光子測(cè)量能級(jí)躍遷更難實(shí)現(xiàn)，盡管它提供了更好的性能。光學(xué)時(shí)鐘仍在開(kāi)發(fā)中，系統(tǒng)基于：在離子阱中分離的單個(gè)離子，在光學(xué)晶格中捕獲的中性原子，以及封裝在3維量子氣體光學(xué)晶格中原子。特別是3維量子氣體光學(xué)晶格鐘，其頻率精度達(dá)到了2.5×10-19[114]。最近，研究表明量子糾纏可以增強(qiáng)時(shí)鐘的穩(wěn)定性[115]。

另一項(xiàng)研究集中在蒸氣室(或氣體室)原子鐘，提供芯片大小的實(shí)現(xiàn)[116]；固態(tài)(例如，金剛石中的NV中心)時(shí)鐘[117]；或與微波或光學(xué)原子鐘原理類似的核鐘，只是它在原子殼層中使用了核躍遷而不是電子躍遷[118]，具有前所未有的性能潛力，超過(guò)原子光學(xué)時(shí)鐘[119]。

各種時(shí)鐘技術(shù)都有自己的挑戰(zhàn)，如精確的頻率梳、用于控制和冷卻的激光系統(tǒng)以及黑體輻射偏移(就光學(xué)時(shí)鐘而言)。此外，微型化通常以較低的頻率精度為代價(jià)。另一種常見(jiàn)的挑戰(zhàn)是這些時(shí)鐘的同步。

精確定時(shí)對(duì)于許多技術(shù)都是必不可少的，例如衛(wèi)星導(dǎo)航、空間系統(tǒng)、精確測(cè)量、電信、國(guó)防、網(wǎng)絡(luò)同步、金融行業(yè)、能源電網(wǎng)控制以及幾乎所有的工業(yè)控制系統(tǒng)。然而，非常精確的時(shí)間對(duì)于量子技術(shù)至關(guān)重要，特別是對(duì)于量子傳感和成像。例如，一個(gè)非常高精度的時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)新的測(cè)量，如地球表面厘米級(jí)的重力勢(shì)測(cè)量或?qū)ふ倚碌奈锢韺W(xué)。

3.4.3量子射頻天線

現(xiàn)狀：實(shí)驗(yàn)室原型

影響應(yīng)用的因素：有效性

時(shí)間線預(yù)期：近中期

主要挑戰(zhàn)：微型化、冷卻

射頻(RF)天線用作各種信號(hào)的接收器或發(fā)射器。它們可以是簡(jiǎn)單的偶極天線，也可以是復(fù)雜的AESA模塊。它們的尺寸受到產(chǎn)生或接收信號(hào)的波長(zhǎng)的限制。例如，3GHz信號(hào)的波長(zhǎng)為10cm，天線的尺寸應(yīng)不小于該波長(zhǎng)的約1/3。這就是所謂的Chu–Harrington極限[120，121]。

里德堡原子的技術(shù)可以打破這一限制，并擁有一個(gè)獨(dú)立于接收信號(hào)波長(zhǎng)的幾微米大小的天線。里德堡原子是具有相應(yīng)大的電偶極矩的高激發(fā)態(tài)原子，因此對(duì)外部電場(chǎng)具有高敏感性[122，123]。注意，基于里德堡原子的天線只能接收一個(gè)信號(hào)。

里德堡原子分析儀的最新原型在0到20 GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行了演示，用于AM或FM無(wú)線電、WiFi和藍(lán)牙信號(hào)[124]。更多天線的組合可以檢測(cè)信號(hào)的到達(dá)角度[125]。在實(shí)驗(yàn)室水平上，里德堡原子技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化。

量子射頻接收機(jī)作為單個(gè)單元（用于目標(biāo)頻率、窄帶寬）或陣列傳感器（寬頻率范圍）可以在導(dǎo)航、主動(dòng)成像（雷達(dá)）、電信、媒體接收機(jī)或被動(dòng)式THz成像中得到應(yīng)用。

3.4.4 量子成像系統(tǒng)

現(xiàn)狀：實(shí)驗(yàn)室原型和概念驗(yàn)證

影響應(yīng)用的因素：新能力

時(shí)間線預(yù)期：近期到遠(yuǎn)期

主要挑戰(zhàn)：提高分辨率，高速率單光子源

量子成像系統(tǒng)是一個(gè)廣闊的領(lǐng)域，涵蓋3D量子相機(jī)、behind-the-corner相機(jī)、低亮度成像和量子雷達(dá)或激光雷達(dá)(關(guān)于量子雷達(dá)，請(qǐng)參見(jiàn)第3.4.5節(jié))。

單光子雪崩探測(cè)器（Single Photon Avalanche Detectors,SPAD）陣列是一種非常靈敏的單光子探測(cè)器，與脈沖照明源相連，可以測(cè)量從光源到物體的飛行時(shí)間，從而測(cè)量物體的范圍。然后，將SPAD放入一個(gè)數(shù)組中，就可以像3D相機(jī)一樣工作。SPAD的工作光譜擴(kuò)展到近紅外光譜。

SPAD陣列也可以用于檢測(cè)探測(cè)之外的物體(例如隱藏在墻角后)。這個(gè)想法是基于激光和相機(jī)的合作，其中激光在SPAD相機(jī)前面(例如地板上的一個(gè)點(diǎn))發(fā)送一個(gè)脈沖。從該點(diǎn)開(kāi)始，激光脈沖將向各個(gè)方向散射，包括角落后面，在那里光子可以反射到SPAD相機(jī)前面的點(diǎn)，然后到達(dá)相機(jī)。SPAD的靈敏度足以探測(cè)這樣的三次散射信號(hào)[126]。

量子鬼成像（quantum ghost imaging）[127–129]，也稱為符合成像或雙光子成像，是一種允許對(duì)相機(jī)視線之外的物體進(jìn)行成像的技術(shù)。在光源中，產(chǎn)生了兩個(gè)糾纏的光子，每一個(gè)都有不同的頻率，其中一個(gè)由高分辨率光子計(jì)數(shù)相機(jī)直接記錄，頻率不同(例如紅外線)的第二個(gè)光子被發(fā)送到這個(gè)物體，反射的光子由單光子探測(cè)器(所謂的桶探測(cè)器)探測(cè)，然后，根據(jù)兩個(gè)光子之間的相關(guān)性創(chuàng)建圖像。盡管分辨率較差，鬼成像協(xié)議也在沒(méi)有量子糾纏的情況下進(jìn)行了演示(使用經(jīng)典關(guān)聯(lián))。

這種模式允許在極低的光照水平下對(duì)物體成像。此外，紅外線可以更好地穿透一些信噪比(SNR)更好的環(huán)境[130]，最近展示了使用x射線或極端相對(duì)論電子的鬼成像實(shí)驗(yàn)[131，132]。

亞散粒噪聲成像（sub-shot-noise imaging）[133]是另一種量子光學(xué)方案，允許檢測(cè)信號(hào)低于散粒噪聲的弱吸收物體，散粒噪聲是探測(cè)到的光子數(shù)量波動(dòng)的結(jié)果，例如，散粒噪聲是激光的極限,使用相關(guān)光子可以克服這個(gè)限制，一個(gè)先導(dǎo)或輔助光子的檢測(cè)表明探測(cè)物體或環(huán)境的相關(guān)光子的存在。

量子照明(Quantum Illumination，QI)[134]是一種使用兩個(gè)相關(guān)(糾纏)光子探測(cè)目標(biāo)的量子協(xié)議。一個(gè)閑置光子被保留下來(lái),另一個(gè)被稱為信號(hào)光子，被發(fā)送到目標(biāo)并被反射，兩個(gè)光子都被測(cè)量。即使當(dāng)糾纏被有損耗和噪聲的環(huán)境破壞時(shí)，該協(xié)議的優(yōu)勢(shì)仍然存在。QI協(xié)議是主要適用于量子雷達(dá)的協(xié)議之一，但它也可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像或量子通信。

3.4.5 量子雷達(dá)技術(shù)

現(xiàn)狀：實(shí)驗(yàn)室原型和概念驗(yàn)證

影響應(yīng)用的因素：新能力

時(shí)間線預(yù)期：遠(yuǎn)期或更遠(yuǎn)

主要挑戰(zhàn)：高速單光子源、量子微波技術(shù)

從原理上講，量子雷達(dá)的工作方式與經(jīng)典雷達(dá)類似，即信號(hào)必須向目標(biāo)發(fā)送，雷達(dá)系統(tǒng)需要等待反射信號(hào)。然而，理論上提高的精度和新能力可以通過(guò)量子力學(xué)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

有幾種協(xié)議被考慮用于量子雷達(dá)，例如干涉量子雷達(dá)[135]、量子照明(QI) [134]、混合量子雷達(dá)[136，137]或Maccone-Ren量子雷達(dá)[138]。上述協(xié)議都不是完美的。比如干涉量子雷達(dá)對(duì)噪聲太敏感，需要保持量子糾纏。QI是嘈雜環(huán)境中的理想?yún)f(xié)議，甚至已通過(guò)微波頻譜的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證[139]，但它需要了解到目標(biāo)的距離，因此它沒(méi)有測(cè)距功能。然而，基于QI的量子目標(biāo)測(cè)距方法正在開(kāi)發(fā)中[140]。這種測(cè)距問(wèn)題也可以通過(guò)混合量子雷達(dá)解決，但要犧牲靈敏度。Maccone-Ren協(xié)議具有QI性質(zhì)和測(cè)距功能，但至今只是一個(gè)理論概念。

所有協(xié)議共同面臨的最大挑戰(zhàn)是(不僅僅是)微波范圍內(nèi)糾纏光子的高速生成。雷達(dá)方程的量子版本[141]仍然保持主導(dǎo)項(xiàng)1/R4，其中R是雷達(dá)-目標(biāo)距離。因此，所需糾纏光子(模式)的數(shù)量比目前可用的數(shù)量高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)[142]。從某種意義上說(shuō)，量子雷達(dá)類似于噪聲雷達(dá)，具有許多共同的性質(zhì)，如攔截概率、低檢測(cè)概率、有效頻譜共享等。見(jiàn)[137]和其中的參考文獻(xiàn)。

另一個(gè)相關(guān)的挑戰(zhàn)是尋找目標(biāo)。理論工作[143]表明，在尋找目標(biāo)的未知位置時(shí)，量子糾纏可以勝過(guò)任何經(jīng)典策略。此外，該方法可以作為固定目標(biāo)范圍內(nèi)的的量子增強(qiáng)頻率掃描器。

3.4.6其他傳感器和技術(shù)

現(xiàn)狀：實(shí)驗(yàn)室原型

影響應(yīng)用的因素：新能力(例如化學(xué)和精確聲學(xué)探測(cè))

時(shí)間線預(yù)期：近中期

主要挑戰(zhàn)：提高分辨率

利用光聲檢測(cè)，量子技術(shù)可用于高達(dá)聲子水平的超精密聲音感測(cè)，聲子是一種準(zhǔn)粒子，通過(guò)光聲檢測(cè)對(duì)固體物質(zhì)中的聲波進(jìn)行量化[144，145]。聲波的精確檢測(cè)對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是必不可少的，包括醫(yī)療診斷、聲納、導(dǎo)航、痕量氣體感測(cè)和工業(yè)過(guò)程[146，147]。

光聲檢測(cè)可以與量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)合，用于氣體或一般化學(xué)檢測(cè)。量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)[148]，QCL是一種半導(dǎo)體激光器，在中波和長(zhǎng)波紅外波段發(fā)射，與許多其他量子技術(shù)一樣，需要冷卻至遠(yuǎn)低于-70℃，然而，最近的發(fā)展允許芯片級(jí)實(shí)現(xiàn)在大約-23℃溫度下實(shí)施，這可以通過(guò)便攜式冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[149]。

軍事技術(shù)比工業(yè)或公共應(yīng)用有著更高的要求?？紤]到戰(zhàn)場(chǎng)上可能的部署，這需要更加謹(jǐn)慎。第5節(jié)介紹了各種可能的軍事應(yīng)用，具有不同的技術(shù)成熟度、時(shí)間預(yù)期和多種實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于那些易于實(shí)現(xiàn)并適合當(dāng)前技術(shù)的技術(shù)來(lái)說(shuō)，這將更簡(jiǎn)單，風(fēng)險(xiǎn)更小，例如量子傳感器，簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們可以用量子傳感器取代經(jīng)典傳感器。

相反，QKD是一項(xiàng)已經(jīng)商業(yè)化但很難部署的技術(shù)，需要大量新的硬件、系統(tǒng)以及與當(dāng)前通信系統(tǒng)的互操作性。因此，這項(xiàng)技術(shù)在軍事部署方面具有更大的風(fēng)險(xiǎn)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們可以期待在降低SWaP(尺寸、重量和功率)和擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)和量子網(wǎng)絡(luò)方面的優(yōu)勢(shì)，這將使部署更加容易，如果國(guó)家/軍隊(duì)想要與其他國(guó)家/軍隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)邊緣(量子)技術(shù)，這可能是必要的。

4.1 量子戰(zhàn)略

軍用量子技術(shù)的未來(lái)用戶將不得不仔細(xì)考慮是否、在哪里以及何時(shí)投入時(shí)間和資源。國(guó)防部隊(duì)的目標(biāo)不是發(fā)展軍事技術(shù)，而通常只是明確具體要求和采購(gòu)。然而，尤其是是如果他們是最終用戶的話，他們可以很大程度上參與開(kāi)發(fā)。

作為基礎(chǔ)，最好有一個(gè)由產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)組成的國(guó)家量子生態(tài)系統(tǒng)，這種生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該得到政府層面的普遍支持，即制定國(guó)家量子計(jì)劃，但也應(yīng)受到激勵(lì)，為國(guó)防部門開(kāi)發(fā)技術(shù)，這可以通過(guò)適當(dāng)?shù)膿芸钯Y助，甚至各種主題挑戰(zhàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，個(gè)人和創(chuàng)業(yè)公司可以參與其中，或許還能帶來(lái)新的顛覆性想法和解決方案，這自然會(huì)導(dǎo)致與產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界更密切的合作。量子產(chǎn)業(yè)非常有趣，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間有著大量的合作。

第一步是制定量子技術(shù)路線圖或量子戰(zhàn)略。路線圖/戰(zhàn)略應(yīng)規(guī)定所有后續(xù)步驟，從確定破環(huán)性量子解決方案、市場(chǎng)調(diào)查、技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及開(kāi)發(fā)本身，到原型測(cè)試和最終解決方案部署。路線圖或量子戰(zhàn)略可以由三部分組成：

識(shí)別；

發(fā)展；

實(shí)施和部署。

最關(guān)鍵的部分是為所考慮的戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域確定最有利和最具顛覆性的量子技術(shù)。這一步還包括技術(shù)和科學(xué)評(píng)估，以平衡技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)(有限的可部署性、低于預(yù)期的性能或無(wú)法從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到戰(zhàn)場(chǎng))與單個(gè)量子技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)。這個(gè)識(shí)別過(guò)程應(yīng)該循環(huán)重復(fù)，以便對(duì)新發(fā)現(xiàn)和破壞性解決方案做出相對(duì)快速的反應(yīng)。重要的是要記住，許多應(yīng)用尚待識(shí)別或發(fā)現(xiàn)。

下一步是通常的研發(fā)過(guò)程(R&D)。研發(fā)應(yīng)該得到充分的財(cái)政支持，但也要盡量減少官僚障礙。它應(yīng)該包括與軍事技術(shù)的最終用戶密切互動(dòng)的快速開(kāi)發(fā)周期(規(guī)格和性能咨詢、原型測(cè)試、認(rèn)證準(zhǔn)備等)。在此階段結(jié)束時(shí)，處于初始運(yùn)行能力的新系統(tǒng)應(yīng)該準(zhǔn)備就緒。

最后一步是實(shí)現(xiàn)全面作戰(zhàn)能力，包括修改或創(chuàng)造新的軍事理論，充分利用量子優(yōu)勢(shì)準(zhǔn)備新的軍事場(chǎng)景、戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)。

最后一點(diǎn)涉及身份確認(rèn)階段。在這里，決策者還需從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度出發(fā)，到目前為止，許多量子技術(shù)已經(jīng)被單獨(dú)考慮：傳感器、量子密鑰分發(fā)、量子計(jì)算等，但是，遠(yuǎn)期的愿景考慮通過(guò)量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)量子傳感器和量子計(jì)算的互聯(lián)。理論和實(shí)驗(yàn)工作證明了利用量子糾纏傳感器和計(jì)算機(jī)的額外量子優(yōu)勢(shì)[77，78]，可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)或發(fā)明更多類似的應(yīng)用。在建設(shè)光纖/量子網(wǎng)絡(luò)時(shí)，考慮這一點(diǎn)很重要。更長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)，可信中繼器等現(xiàn)有元件可以被全量子中繼器和交換機(jī)取代，從而充分發(fā)揮量子網(wǎng)絡(luò)的全部潛力。

4.2TRL和時(shí)間范圍

正如已經(jīng)多次提到的，各種量子技術(shù)處于不同的TRL，從1到8不等。當(dāng)考慮各種應(yīng)用和部署平臺(tái)時(shí)，特別是出于軍事目的，TRL變化和時(shí)間范圍預(yù)期甚至更加復(fù)雜。[150]中提供了一些TRL和時(shí)間范圍的估計(jì)。然而，一些估計(jì)，如TRL 6的量子精密導(dǎo)航，基于這份報(bào)告的描述似乎過(guò)于樂(lè)觀。

表1 技術(shù)成熟度（TRL）和時(shí)間范圍預(yù)期

實(shí)際的軍事部署可能需要一些時(shí)間來(lái)克服所有技術(shù)障礙并滿足軍事要求。例如，用于地下掃描的量子重力儀，第一代很可能為卡車部署靜態(tài)傳感器，范圍或者空間分辨率相當(dāng)?shù)?。隨著時(shí)間的推移，下一代將提高靈敏度和空間分辨率。隨著SWaP的降低，該傳感器將能夠被放置在飛機(jī)上，隨后可以安裝在無(wú)人機(jī)上，也可能安裝在低軌衛(wèi)星上。然而，也可能提前達(dá)到傳感器的極限，導(dǎo)致無(wú)法部署，例如在無(wú)人機(jī)或低軌衛(wèi)星上。

4.3 量子技術(shù)對(duì)抗

量子技術(shù)對(duì)抗指的是欺騙、禁用或破壞量子技術(shù)的方法和技術(shù)，無(wú)論是量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)還是量子傳感器和成像系統(tǒng)，量子技術(shù)利用單個(gè)量子的量子物理特性。因此，它們很容易受到環(huán)境干擾和噪聲的影響，因此有可能被欺騙或癱瘓。特別是關(guān)于量子網(wǎng)絡(luò)，尤其是量子密鑰分發(fā)，量子黑客[151-155]已經(jīng)與量子密鑰分發(fā)攜手發(fā)展。

量子戰(zhàn)略的制定者和決策者應(yīng)該記住，當(dāng)量子技術(shù)部署在軍事領(lǐng)域時(shí)，各種對(duì)抗措施遲早會(huì)出現(xiàn)，目前未知的是量子技術(shù)對(duì)抗措施的可能有效性及其影響。

量子技術(shù)有可能極大地影響人類活動(dòng)的許多領(lǐng)域，對(duì)于國(guó)防部門來(lái)說(shuō)尤其如此。量子技術(shù)可以影響現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的所有領(lǐng)域。第二次量子革命將提高靈敏度和效率，引入新的能力，提高現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)技術(shù)，而不是發(fā)展新型武器。

以下文字描述了量子技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)不同方面的軍事、安全、太空和智能應(yīng)用，它還提到了可能表明量子技術(shù)能力和性能的工業(yè)應(yīng)用，特別是在沒(méi)有軍事應(yīng)用公開(kāi)信息的情況下。

圖1 利用各種量子技術(shù)系統(tǒng)的量子戰(zhàn)爭(zhēng)示意圖

重要的是要注意到，許多應(yīng)用仍然是理論多于現(xiàn)實(shí)。在實(shí)驗(yàn)室中取得的重大量子進(jìn)展并不總是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室外的類似進(jìn)展。從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際部署的轉(zhuǎn)移還涉及其他方面，如便攜性、靈敏度、分辨率、速度、魯棒性、低SWaP(尺寸、重量和功率)和成本，以及工作的實(shí)驗(yàn)室原型。量子技術(shù)的實(shí)用性和成本效益將決定是否被制造和部署特定的量子技術(shù)。

將量子技術(shù)整合到軍事平臺(tái)中更具挑戰(zhàn)性。除了與民用類似的主要位于數(shù)據(jù)中心的量子計(jì)算機(jī)之外，量子傳感、成像和網(wǎng)絡(luò)的集成和部署還面臨著軍事用途需求增加帶來(lái)的若干挑戰(zhàn)(與民用/工業(yè)或科學(xué)需求相比)。例如，精確導(dǎo)航的軍事級(jí)要求需要快速的測(cè)量速率，這對(duì)于當(dāng)前的量子慣性傳感器來(lái)說(shuō)是非常有限的。

此外，這個(gè)領(lǐng)域仍然非常年輕，新的技術(shù)驚喜，無(wú)論是好的還是壞的，都可能帶來(lái)其他量子優(yōu)勢(shì)或劣勢(shì)。

5.1 量子網(wǎng)絡(luò)安全

關(guān)鍵點(diǎn)：

量子密碼靈活性實(shí)現(xiàn)的必要性。

想要利用Shor算法的操作應(yīng)該在量子安全加密部署之前開(kāi)始收集感興趣的數(shù)據(jù)。

QKD的實(shí)施需要仔細(xì)考慮。

QKD端點(diǎn)將是系統(tǒng)中最薄弱的部分。

網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)中的量子優(yōu)勢(shì)可以為當(dāng)前的非對(duì)稱加密（基于整數(shù)分解、離散對(duì)數(shù)或橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問(wèn)題）以及理論上的對(duì)稱加密提供新的、但非常有效（具有指數(shù)加速）的攻擊向量。另一方面是新的量子彈性加密算法和方法，以及量子密鑰分發(fā)。有關(guān)概述，請(qǐng)參見(jiàn)[157–160]。

當(dāng)前的趨勢(shì)也是機(jī)器學(xué)習(xí)或人工智能在網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)中的發(fā)展和應(yīng)用[161]。有關(guān)量化機(jī)會(huì)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)第5.2節(jié)。

5.1.1 量子防御能力

后量子密碼的實(shí)現(xiàn)是必備技術(shù)，應(yīng)該盡快實(shí)施。敵對(duì)情報(bào)正在收集加密數(shù)據(jù)，并期望未來(lái)使用量子計(jì)算機(jī)的能力進(jìn)行解密，這種風(fēng)險(xiǎn)是真實(shí)的、高風(fēng)險(xiǎn)的，而且是存在的[162]，這適用于軍事、情報(bào)和政府部門，以及交換或存儲(chǔ)機(jī)密和機(jī)密數(shù)據(jù)的行業(yè)或?qū)W術(shù)界。當(dāng)前的趨勢(shì)是，當(dāng)經(jīng)過(guò)認(rèn)證（標(biāo)準(zhǔn)化）的后量子加密技術(shù)準(zhǔn)備好部署時(shí)，開(kāi)始準(zhǔn)備實(shí)施量子加密靈活性的基礎(chǔ)設(shè)施[90，156]。

新的量子彈性算法不僅可以提供一種即使對(duì)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)也足夠困難的新數(shù)學(xué)方法，還可以提供一種處理加密數(shù)據(jù)的新范式。例如，全同態(tài)加密(fully homomorphic encryptio，F(xiàn)HE)允許數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不會(huì)被解密——即使它們正在被處理[163]。雖然安全應(yīng)用，如基因組數(shù)據(jù)、醫(yī)療記錄或財(cái)務(wù)信息是最受關(guān)注的，但情報(bào)、軍事或政府方面的應(yīng)用也是顯而易見(jiàn)的。因此，F(xiàn)HE是基于云的量子計(jì)算的良好候選方法，以確保安全的云量子計(jì)算[164]。

請(qǐng)注意，后量子密碼應(yīng)在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)或軍事物聯(lián)網(wǎng)(IoMT)[165]中實(shí)施，作為一個(gè)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域，存在許多潛在的安全漏洞，有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)后量子密碼的概述，請(qǐng)參見(jiàn)[166]。

量子密鑰分發(fā)(QKD)[160，167，168]是另一個(gè)新功能，它允許在數(shù)學(xué)上證明安全性的情況下進(jìn)行安全的加密密鑰交換。雖然不可能竊聽(tīng)量子數(shù)據(jù)(密鑰)的量子載體，但是由于硬件或軟件實(shí)現(xiàn)不完善，可以在終端節(jié)點(diǎn)和可信中繼器處發(fā)現(xiàn)弱點(diǎn)。另一個(gè)問(wèn)題是成本，如果解決方案是基于光纖或利用量子衛(wèi)星，則獨(dú)立考慮量子數(shù)據(jù)吞吐量、安全性和非量子替代方案。QKD解決方案似乎在歐盟更受歡迎[169]，而后量子加密解決方案在美國(guó)更受歡迎[170]。

最后一個(gè)注意事項(xiàng)指的是量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG）。QRNG提高了安全性[171]并拒絕對(duì)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的攻擊[172]。

5.1.2 量子攻擊能力

借助Shor基于量子密碼分析的公鑰加密算法(PKE)，例如RSA、DH、ECC，攻擊者可以解密之前收集的加密數(shù)據(jù)。沒(méi)有準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)所謂的Q-Day，即量子計(jì)算機(jī)破解2048位RSA加密的那一天，會(huì)在什么時(shí)候發(fā)生。然而，普遍的看法是，這將需要大約10-15年的時(shí)間(基于2017年的一項(xiàng)調(diào)查)[173]。由于Simon算法和疊加查詢，類似的威脅適用于大多數(shù)消息認(rèn)證碼(MAC)和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)認(rèn)證加密(AEAD)，如HMAC-CBC和AES-GCM。

人們不得不假設(shè)這樣的進(jìn)攻行動(dòng)已經(jīng)存在，或者正在進(jìn)行密集的研究。10年后，最敏感的通信或感興趣的主題將使用后量子密碼或在未來(lái)6年內(nèi)實(shí)現(xiàn)的QKD。這意味著，當(dāng)能夠破解PKE的量子計(jì)算機(jī)問(wèn)世時(shí)，大多數(shù)安全敏感數(shù)據(jù)將使用量子安全解決方案。

理論上，Grover算法削弱了對(duì)稱密鑰加密算法；比如DES和AES。然而，量子計(jì)算，尤其是量子存儲(chǔ)器，需求如此巨大，在未來(lái)幾十年內(nèi)似乎是不可行的[174]。

另一種攻擊手段是使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)的經(jīng)典黑客方法，這種方法仍將落后于量子技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，量子技術(shù)是一個(gè)年輕的技術(shù)領(lǐng)域，許多新的量子系統(tǒng)控制軟件正在開(kāi)發(fā)中。新的軟件和硬件往往有更多的漏洞和安全漏洞。例如，目前由經(jīng)典計(jì)算機(jī)控制的作為可信中繼器工作的QKD量子衛(wèi)星可能是網(wǎng)絡(luò)攻擊的理想目標(biāo)。此外，針對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)(如QKD)的特定基于物理的攻擊載體是積極研究的主題[175]，如光子數(shù)分裂[81]或特洛伊木馬攻擊[82]，不排除未來(lái)的驚喜。有關(guān)量子黑客的概述，參見(jiàn)例如[157]。

5.2 量子計(jì)算能力

關(guān)鍵點(diǎn)：

量子計(jì)算能力將隨著邏輯量子比特的數(shù)量而增加。

最有可能的是，量子計(jì)算將被用作混合云的一部分。

小型嵌入式量子計(jì)算系統(tǒng)是直接量子數(shù)據(jù)處理的理想選擇。

通常用于量子優(yōu)化、ML/AI增強(qiáng)和更快的數(shù)值模擬。

量子計(jì)算將為當(dāng)前的經(jīng)典計(jì)算服務(wù)引入新的功能，幫助解決高度復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。此外，除了上述的量子模擬，量子計(jì)算還包括量子優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能(ML/AI)改進(jìn)、量子數(shù)據(jù)分析和更快的數(shù)值建模[11，24]。近期量子計(jì)算機(jī)可以解決的軍事問(wèn)題在[10]中提出，如戰(zhàn)場(chǎng)或戰(zhàn)爭(zhēng)模擬；無(wú)線電頻譜分析；物流管理；供應(yīng)鏈優(yōu)化；能源管理；和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

為了獲得最有效的結(jié)果，未來(lái)的量子計(jì)算將與經(jīng)典計(jì)算機(jī)一起出現(xiàn)在計(jì)算場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)，這將創(chuàng)建一個(gè)混合系統(tǒng)，混合量子經(jīng)典操作系統(tǒng)將使用ML/AI分析要計(jì)算的任務(wù)，并將單獨(dú)的計(jì)算拆分為CPU、GPU、FPGA、或量子處理器(QPU)等資源，在這些資源中可以獲得最佳和最快的結(jié)果。

例如，一臺(tái)小型嵌入式量子計(jì)算機(jī)可以安裝在自動(dòng)駕駛汽車或移動(dòng)指揮中心中，這是值得懷疑的。目前最先進(jìn)的量子比特設(shè)計(jì)需要低溫冷卻。因此，更多的努力應(yīng)該集中在其他量子比特設(shè)計(jì)上，如光子、自旋或NV色心，它們可以在室溫下工作。嵌入式量子芯片可以執(zhí)行簡(jiǎn)單的分析任務(wù)，或者用于與需要直接的量子數(shù)據(jù)處理的量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的簡(jiǎn)單操作。然而，自主系統(tǒng)和機(jī)器人的機(jī)器學(xué)習(xí)和模型優(yōu)化也可以受益于大型量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算在優(yōu)化問(wèn)題中可能是有效的[10，176，177]。在軍事領(lǐng)域，量子優(yōu)化的例子可以是海外作戰(zhàn)和部署、任務(wù)規(guī)劃、戰(zhàn)爭(zhēng)演習(xí)、系統(tǒng)確認(rèn)和驗(yàn)證、新型車輛的設(shè)計(jì)及其屬性，如隱形或靈活性。頂層將是用于增強(qiáng)決策的應(yīng)用，通過(guò)量子信息科學(xué)支持軍事行動(dòng)和功能，包括預(yù)測(cè)分析和ML/AI[178]。具體來(lái)說(shuō)，量子退火機(jī)已經(jīng)在驗(yàn)證和確認(rèn)復(fù)雜系統(tǒng)的軟件代碼方面證明了自己[179，180]。

量子計(jì)算機(jī)有望在指揮控制(C2)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。C2系統(tǒng)的作用是分析和提供態(tài)勢(shì)感知或協(xié)助規(guī)劃和監(jiān)控，包括模擬各種可能的場(chǎng)景，為最佳決策提供最佳條件。量子計(jì)算機(jī)可以改善和加速場(chǎng)景模擬或處理和分析來(lái)自ISR(情報(bào)、監(jiān)視和偵察)的大數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知。這也包括量子增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)和量子傳感器和成像的參與。

量子信息處理可能對(duì)情報(bào)、監(jiān)視和偵察(ISR)或態(tài)勢(shì)感知至關(guān)重要。ISR將從量子計(jì)算中受益，量子計(jì)算大大提高了對(duì)ISR捕獲的信號(hào)和圖像進(jìn)行過(guò)濾、解碼、關(guān)聯(lián)和識(shí)別的能力。尤其是量子圖像處理是一個(gè)廣泛關(guān)注和發(fā)展的領(lǐng)域。預(yù)計(jì)在近期內(nèi)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]進(jìn)行量子圖像分析和模式檢測(cè)將有助于態(tài)勢(shì)感知和理解。

量子計(jì)算將增強(qiáng)經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能[54]，包括國(guó)防應(yīng)用[178]。在這里，量子計(jì)算肯定不會(huì)實(shí)際執(zhí)行完整的機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程。盡管如此，量子計(jì)算可以改善ML/AI機(jī)制(例如，量子采樣、線性代數(shù)、量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))。最近的一項(xiàng)研究[181]表明，量子機(jī)器學(xué)習(xí)只為一些適合特定問(wèn)題的核（kernel）提供了優(yōu)勢(shì)。理論上，量子計(jì)算有可能增強(qiáng)大多數(shù)經(jīng)典的人工智能在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用，例如，自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)操作、算法定位、態(tài)勢(shì)感知和理解以及自動(dòng)化任務(wù)規(guī)劃[182，183]。量子ML/AI最直接的應(yīng)用可能是量子數(shù)據(jù)，例如，由量子傳感或測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)[55]。實(shí)際適用性將隨著量子計(jì)算機(jī)資源的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，在八年內(nèi)，量子ML/AI可以成為重要的量子計(jì)算應(yīng)用之一[184]。這種適用性可以通過(guò)混合經(jīng)典-量子機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)加速，其中張量網(wǎng)絡(luò)模型可以在小型近期量子設(shè)備上實(shí)現(xiàn)[185]。

通過(guò)量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，量子計(jì)算機(jī)有望提供更好的模式識(shí)別和更高的速度。這可能是必不可少的，例如，在保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的仿生網(wǎng)絡(luò)防御系統(tǒng)中，類似于生物有機(jī)體的免疫系統(tǒng)[13]。

此外，通過(guò)更快的線性代數(shù)求解(見(jiàn)3.2.5)，量子計(jì)算有可能改善國(guó)防部門當(dāng)前基于線性方程的數(shù)值建模，如戰(zhàn)爭(zhēng)模擬、雷達(dá)截面計(jì)算、隱形設(shè)計(jì)建模等。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，量子系統(tǒng)可以啟用網(wǎng)絡(luò)量子使能能力(NQEC)[13]。NQEC是一個(gè)未來(lái)系統(tǒng)，允許各部隊(duì)和指揮官之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和共享信息，以快速響應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)展并進(jìn)行協(xié)調(diào)。量子增強(qiáng)可以帶來(lái)安全通信、增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)感知和理解、遠(yuǎn)程量子傳感器輸出融合和處理以及改進(jìn)的C2。

5.3量子通信網(wǎng)絡(luò)

關(guān)鍵點(diǎn)：

各種安全應(yīng)用(例如QKD、身份識(shí)別和認(rèn)證、數(shù)字簽名)。

安全應(yīng)用的采用將會(huì)隨著對(duì)所有新技術(shù)安全方面的仔細(xì)探索而迅速發(fā)生。

量子時(shí)鐘同步允許使用更高精度的量子時(shí)鐘。

量子互聯(lián)網(wǎng)是量子計(jì)算機(jī)和/或量子云之間最有效的通信方式。

量子互聯(lián)網(wǎng)代表一個(gè)具有各種服務(wù)[186]的量子網(wǎng)絡(luò)，這些服務(wù)具有重要的，而不僅僅是安全的意義。然而，許多先進(jìn)的量子通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要量子糾纏；也就是他們需要量子中繼器和量子開(kāi)關(guān)。回想一下，可信中繼器只能用于QKD(參見(jiàn)第3.3.1節(jié))。光纖和自由空間信道的未來(lái)組合將互連各種終端節(jié)點(diǎn)，如無(wú)人機(jī)、飛機(jī)、船舶、車輛、士兵、指揮中心等。

5.3.1 安全應(yīng)用

量子密鑰分發(fā)是最成熟的量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之一。當(dāng)使用MDI-QKD或量子中繼器的遠(yuǎn)程通信成為可能時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)引起國(guó)防部門的興趣。目前，使用可信中繼器的基本商業(yè)技術(shù)是可用的，這些先驅(qū)可以作為如何應(yīng)用量子技術(shù)的范例。在這里，QKD公司宣稱這項(xiàng)技術(shù)是最安全的，并出現(xiàn)了越來(lái)越多的用例，特別是在金融和醫(yī)療領(lǐng)域。另一方面，眾多的建議報(bào)告和權(quán)威機(jī)構(gòu)更加謹(jǐn)慎，例如，英國(guó)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全中心[187]在當(dāng)前狀態(tài)下不支持任何政府或軍事應(yīng)用的QKD。

量子方法對(duì)安全的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)是量子數(shù)字簽名(QDS)[195]。QDS提供了安全性，防止發(fā)送方在對(duì)消息進(jìn)行簽名后篡改消息。

接下來(lái)，量子安全身份識(shí)別利用量子特性，可以在不泄露認(rèn)證憑證的情況下進(jìn)行識(shí)別[72]。

另一個(gè)應(yīng)用是基于位置的量子密碼技術(shù)[196，197]。基于位置的量子密碼技術(shù)可以提供更安全的通信，其中訪問(wèn)的信息只能從特定的地理位置獲得，例如只能從特定的軍事基地與軍事衛(wèi)星通信。當(dāng)一方的地理位置是其唯一憑證時(shí)，基于位置的量子密碼技術(shù)也可以提供安全通信。

5.3.2技術(shù)應(yīng)用

量子網(wǎng)絡(luò)將執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步[71，198]，這已經(jīng)是經(jīng)典數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)主要話題。時(shí)鐘同步旨在協(xié)調(diào)其他獨(dú)立的時(shí)鐘，尤其是原子鐘(例如GPS中的)和本地?cái)?shù)字時(shí)鐘(例如數(shù)字計(jì)算機(jī))。尤其是在部署量子時(shí)鐘時(shí)，使用量子糾纏的量子網(wǎng)絡(luò)將達(dá)到更精確的同步，(關(guān)于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和頻率傳輸，請(qǐng)第5.4節(jié)參見(jiàn))。否則，量子時(shí)鐘的高精度只能在本地使用。精確的時(shí)鐘同步對(duì)于C4ISR(指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視和偵察)系統(tǒng)的合作至關(guān)重要，以便在雷達(dá)、電子戰(zhàn)、指揮中心、武器系統(tǒng)等方面精確同步各種數(shù)據(jù)和行動(dòng)。

一個(gè)簡(jiǎn)短的說(shuō)明介紹了盲量子計(jì)算[69，70]。這類量子協(xié)議允許量子程序在遠(yuǎn)程量子計(jì)算機(jī)或量子計(jì)算云上運(yùn)行，并在所有者不知道算法或結(jié)果是什么的情況下檢索結(jié)果。當(dāng)需要秘密計(jì)算(例如軍事行動(dòng)計(jì)劃或新武器技術(shù)設(shè)計(jì))并且沒(méi)有自己的量子計(jì)算機(jī)能力可用時(shí)，這是有價(jià)值的。

通過(guò)量子網(wǎng)絡(luò)連接的分布式量子計(jì)算——參見(jiàn)第3.3.1節(jié)。對(duì)于擁有量子計(jì)算機(jī)的軍隊(duì)和政府行為者來(lái)說(shuō)，構(gòu)建高性能量子計(jì)算服務(wù)或量子云將非常重要。

能夠分發(fā)糾纏的量子網(wǎng)絡(luò)可以集成和糾纏量子傳感器[77]，以提高傳感器的靈敏度，減少誤差，最重要的是進(jìn)行全局測(cè)量。這在感興趣的參數(shù)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全局屬性的情況下提供了優(yōu)勢(shì)，例如，當(dāng)信號(hào)的到達(dá)角度需要從三個(gè)傳感器測(cè)量時(shí)，每個(gè)傳感器測(cè)量具有特定幅度和相位的信號(hào)，然后，每個(gè)傳感器的輸出可以用來(lái)估計(jì)信號(hào)的到達(dá)角度，量子糾纏傳感器可以對(duì)此進(jìn)行全局評(píng)估，這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)改進(jìn)[78]。

分布式計(jì)算協(xié)議的量子協(xié)議[76]對(duì)于一群無(wú)人機(jī)，或者對(duì)于一群自動(dòng)駕駛汽車(AV)來(lái)說(shuō)，可以具有有利的軍事應(yīng)用。在這里，量子協(xié)議可以有助于在同一時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)所有AV之間的一致性，與它們的數(shù)量無(wú)關(guān)。然而，所有快速移動(dòng)的AV之間的開(kāi)放空間量子通信將是一個(gè)必須首先解決的挑戰(zhàn)。注意，最近成功地進(jìn)行了無(wú)人機(jī)量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)[64]。

5.4 量子PNT

關(guān)鍵點(diǎn)：

所有的量子PNT技術(shù)都需要高度精確的量子時(shí)鐘。

量子慣性導(dǎo)航的精度可能會(huì)比傳統(tǒng)導(dǎo)航高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

量子慣性導(dǎo)航可以通過(guò)使用量子磁或重力映射的量子增強(qiáng)導(dǎo)航來(lái)擴(kuò)展。

基于地球磁場(chǎng)異常的有前景的量子導(dǎo)航。

量子技術(shù)有望顯著改善定位、導(dǎo)航和定時(shí)(PNT)系統(tǒng)，尤其是慣性導(dǎo)航。時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和頻率傳遞(TFT)是一項(xiàng)基礎(chǔ)服務(wù)，為通信、計(jì)量以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)提供精確定時(shí)。雖然目前的TFT系統(tǒng)已經(jīng)很成熟，但是光學(xué)原子鐘或量子時(shí)鐘與利用量子網(wǎng)絡(luò)的TFT[199，200]相結(jié)合的性能將與當(dāng)前應(yīng)用(通信、GNSS、金融部門、雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng))的不斷增長(zhǎng)的需求保持同步，并且能夠?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用(量子傳感和成像)。

基于量子的技術(shù)和方法支持PNT敏感精密儀器的開(kāi)發(fā)。量子優(yōu)勢(shì)將體現(xiàn)在GPS失效或具有挑戰(zhàn)性的作戰(zhàn)環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)精確作戰(zhàn)。此類環(huán)境的例子包括水下和地下，或者GPS干擾下的環(huán)境。

目前的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GPS、GLONASS、伽利略、北斗等)依賴于通過(guò)單個(gè)衛(wèi)星上的多個(gè)原子鐘提供的精確定時(shí)，這些原子鐘由地面上更穩(wěn)定的原子鐘進(jìn)行校正，量子時(shí)鐘的更高精度也將提高定位和導(dǎo)航的精度。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星應(yīng)連接到量子互聯(lián)網(wǎng)，用于時(shí)間分配和時(shí)鐘同步，芯片大小的精確移動(dòng)時(shí)鐘可以幫助發(fā)現(xiàn)GNSS欺騙[201]。

一些量子GNSS(不僅僅是量子時(shí)鐘)已經(jīng)被考慮和研究；例如，干涉量子定位系統(tǒng)(QPS)[199，202，203]。QPS[202，203]的方案之一具有類似于傳統(tǒng)GNSS的結(jié)構(gòu)，其中有三條基線，每條基線由兩顆低軌道衛(wèi)星組成，基線相互垂直。然而，盡管理論上定位的精度是驚人的，但是必須進(jìn)行大量的工程設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)真實(shí)的QPS。

目前的大多數(shù)導(dǎo)航依賴于GPS，或一般的GNSS，這是最精確的導(dǎo)航技術(shù)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)在諸如人口稠密、電磁頻譜使用率高的地區(qū)等環(huán)境中容易受到干擾、欺騙或缺乏GPS的影響。而且對(duì)于地下或水下環(huán)境，GNSS技術(shù)根本不可用。解決方案是慣性導(dǎo)航。

經(jīng)典慣性導(dǎo)航的問(wèn)題是漂移，隨著時(shí)間的推移,精度會(huì)下降。例如，海洋級(jí)慣性導(dǎo)航(用于船只、潛艇和航天器)的漂移為1.8千米/天，導(dǎo)航級(jí)慣性導(dǎo)航(用于軍用飛機(jī))的漂移為1.5千米/小時(shí)[204]。2014年，DARPA啟動(dòng)了一個(gè)MTO-PTN項(xiàng)目，目標(biāo)是達(dá)到20米和1米/小時(shí)的漂移[205]。即便如此，有些人還是抱有很高的期望，認(rèn)為量子慣性導(dǎo)航每月的誤差只有大約幾百米[5，206]。

全量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由量子陀螺儀、加速度計(jì)和原子鐘/量子時(shí)鐘組成。盡管量子慣性導(dǎo)航所需的單個(gè)傳感器是在實(shí)驗(yàn)室外測(cè)試的，但創(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。對(duì)于高度移動(dòng)平臺(tái)的導(dǎo)航，傳感器需要數(shù)百Hz的快速測(cè)量速率，或者提高量子傳感器的測(cè)量帶寬[204，207]。最需要改進(jìn)的關(guān)鍵部件是低漂移旋轉(zhuǎn)傳感器，經(jīng)典慣性傳感器基于各種原理[208]。一種常見(jiàn)的芯片尺寸技術(shù)是MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)，MEMS陀螺儀在~10-7rad.s-1級(jí)上表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，適合軍事應(yīng)用[99]。目前最好的冷原子陀螺儀的不穩(wěn)定極限約為~10-9-10-10rad.s-1(積分時(shí)間為1000s)[209]。與目前實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的精度相比，現(xiàn)場(chǎng)可部署的量子傳感器的精度存在不確定性。經(jīng)典和量子慣性導(dǎo)航之間的中間步驟可以是融合經(jīng)典和量子加速度計(jì)輸出的混合系統(tǒng)[210]。隨著量子慣性導(dǎo)航設(shè)備的尺寸減小到芯片大小，預(yù)計(jì)它可以部署在更小的車輛上，特別是無(wú)人駕駛自動(dòng)駕駛車輛或?qū)椛?。然而，我們能達(dá)到的微型化程度是未知的，芯片大小的量子慣性導(dǎo)航存在很多疑問(wèn)。

目前，陀螺儀或加速度計(jì)等單個(gè)元件也在各種平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試；例如，在飛機(jī)[211]上，或者最近在[212]上。

多年來(lái)，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)一直在繪制地球磁異常圖，并制作了磁異常圖，靈敏的量子磁力計(jì)和地球磁異常圖結(jié)合使用是實(shí)現(xiàn)量子非GNSS導(dǎo)航的另一種方式[213，214]。

引力圖匹配[215]的工作原理與此類似，可以使用量子重力儀提高性能。量子重力儀和磁力計(jì)一起可以成為水下量子增強(qiáng)導(dǎo)航的基礎(chǔ)，特別是在海底峽谷、褶皺海床或沿海環(huán)境中。

總的來(lái)說(shuō)，量子慣性導(dǎo)航或增強(qiáng)導(dǎo)航具有巨大的潛力，因?yàn)椴恍枰狦PS、紅外線或雷達(dá)導(dǎo)航，而且它不易受到干擾，也不容易受到電子戰(zhàn)攻擊。然而，不需要GPS的說(shuō)法并不十分準(zhǔn)確，這些系統(tǒng)總是在初始位置總是需要一些外部輸入，最有可能來(lái)自GNSS。

5.5 量子ISTAR

關(guān)鍵點(diǎn)：

大量使用量子計(jì)算來(lái)收集和處理信息。

希望部署在低軌道衛(wèi)星上，但分辨率值得懷疑。

廣泛應(yīng)用于海底作業(yè)。

預(yù)計(jì)將進(jìn)行高級(jí)地下監(jiān)視，分辨率不確定。

新型3D、弱光或低信噪比量子視覺(jué)設(shè)備。

ISTAR(情報(bào)、監(jiān)視、目標(biāo)搜索與偵察)是現(xiàn)代軍隊(duì)精確作戰(zhàn)的關(guān)鍵能力，量子技術(shù)有可能極大地提高多領(lǐng)域戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)感知能力。

總的來(lái)說(shuō)，可以預(yù)計(jì)量子計(jì)算將產(chǎn)生巨大影響，這將有助于獲取新的情報(bào)數(shù)據(jù)，處理來(lái)自監(jiān)視和偵察的大數(shù)據(jù)，并使用量子ML/AI識(shí)別目標(biāo)[178，183]。

除了ISTAR的處理部分之外，安裝在單個(gè)陸地/海洋/飛行器和低軌道衛(wèi)星上的量子傳感也有望取得巨大進(jìn)步。

量子重力儀和重力梯度儀具有很高的精確度，可以改善或引入新的應(yīng)用:地球物理學(xué)研究、地震學(xué)、考古學(xué)、礦物(裂變材料或貴金屬)和石油探測(cè)、地下掃描和精確的地理參考和地形測(cè)繪(例如用于水下導(dǎo)航的海床)[7]。

另一種重要的傳感類型是量子磁力計(jì)。量子磁力計(jì)的應(yīng)用與量子重力測(cè)量的應(yīng)用部分重疊，因此引入了新的應(yīng)用：地球磁場(chǎng)，包括金屬物體(潛艇、地雷等)引起的局部磁異常，或者微弱的生物磁信號(hào)(主要用于醫(yī)療)[7]。

ISTAR感興趣的第三個(gè)領(lǐng)域是量子成像。量子成像提供了大量不同的應(yīng)用；例如，量子雷達(dá)(參見(jiàn)第5.7節(jié))、醫(yī)學(xué)成像設(shè)備、3D相機(jī)、隱形測(cè)距儀等。

第5.2節(jié)介紹了量子計(jì)算在ISR和態(tài)勢(shì)感知中的潛在應(yīng)用。

5.5.1 量子地球的地表和地下監(jiān)視

基于第一級(jí)磁力測(cè)量、重力測(cè)量和重力梯度測(cè)量的量子傳感有助于研究大陸和海面，包括自然起源的地下變化。磁異常和重力感應(yīng)提供了地球表面的不同圖像，地球是非常不均勻的(海洋、巖石、洞穴、金屬礦物等)，包括人類建造的巨大建筑或交通工具，它們產(chǎn)生獨(dú)特的重力(取決于質(zhì)量)和磁性(取決于金屬成分)足跡。

所討論的量子傳感技術(shù)——磁力測(cè)量、重力測(cè)量和重力梯度測(cè)量——至少在實(shí)驗(yàn)室中可以達(dá)到非常高的精度。例如，實(shí)驗(yàn)室外絕對(duì)重力測(cè)量的精度約為1μGal(10nm.s^-2)[216]。注意，3.1μGal的靈敏度對(duì)應(yīng)于地球表面以上每厘米高度的靈敏度。然而，問(wèn)題是空間分辨率通常與靈敏度反相關(guān)(較高的靈敏度是以較低的空間分辨率為代價(jià)的，反之亦然)?？臻g分辨率和靈敏度是決定識(shí)別什么(大規(guī)模自然變化或小型地下結(jié)構(gòu))和從什么距離(從地面、無(wú)人機(jī)或基于衛(wèi)星的測(cè)量)識(shí)別的關(guān)鍵屬性,例如，目前的空間分辨率約為100公里[217]的星載重力梯度儀，雷達(dá)衛(wèi)星測(cè)高儀的分辨率約為16公里[218]，航空重力測(cè)量的分辨率約為5公里[219]。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)[5]。

對(duì)于許多量子傳感應(yīng)用而言，將傳感器放置在低地球軌道(LEO)衛(wèi)星上是至關(guān)重要的[220]。然而，目前的靈敏度和空間分辨率只允許應(yīng)用于地球監(jiān)測(cè)(測(cè)繪水或石油等資源、地震或海嘯探測(cè))。

除了低軌道衛(wèi)星之外，上述量子傳感器還被考慮部署在空中、海上或地面車輛平臺(tái)上。如今，量子傳感實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外進(jìn)行的，比如在卡車[221]、無(wú)人機(jī)和飛機(jī)[222，223]或船上[217]。例如，量子重力儀可以安裝在無(wú)人機(jī)上，以搜索人造結(jié)構(gòu)，如用于走私毒品的隧道[223]。在無(wú)人機(jī)(可能是無(wú)駕駛飛機(jī)(UAV)、無(wú)人駕駛水面船只(USV)、遙控潛水器(ROV)或無(wú)人駕駛水下船只(UUV))上安裝量子傳感設(shè)備需要更多的工程設(shè)計(jì)，才能同時(shí)達(dá)到最佳的靈敏度、分辨率和可操作性。

低分辨率量子傳感可用于精確的地理參考和地形測(cè)繪，以幫助水下導(dǎo)航或崎嶇地形中的任務(wù)規(guī)劃。此外，新礦物和油田的探測(cè)可能成為新的興趣中心，尤其是在海底[224]，盡管在大多數(shù)情況下邊界是明確的，這可能是國(guó)際摩擦的一個(gè)來(lái)源。

許多報(bào)告和文章[7，225，228–231]認(rèn)為高分辨率量子磁和重力傳感[217，225–227]能夠：探測(cè)偽裝的車輛或飛機(jī)；有效搜索來(lái)自LEO的艦隊(duì)或單個(gè)船只；探測(cè)地下結(jié)構(gòu)，如洞穴、隧道、地下掩體、研究設(shè)施和導(dǎo)彈發(fā)射井；定位埋在地下的未爆炸物體(地雷、水下地雷和簡(jiǎn)易爆炸裝置)；實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的穿墻檢測(cè)。

然而，請(qǐng)?jiān)俅巫⒁?，技術(shù)限制在哪里，以及所提到的量子重力測(cè)量和磁力測(cè)量應(yīng)用是否會(huì)達(dá)到實(shí)現(xiàn)所有上述想法的靈敏度和分辨率(尤其在低地球軌道上)，都是非常不確定的。量子傳感器將分幾代投放市場(chǎng)，每一代都具有更好的靈敏度和分辨率以及更低的SWaP，允許更廣泛的部署和應(yīng)用。

5.5.2 量子成像系統(tǒng)

除了量子雷達(dá)和激光雷達(dá)(參見(jiàn)第5.7節(jié))，量子成像還有其他軍事相關(guān)的應(yīng)用。ISTAR采用全天候、晝夜戰(zhàn)術(shù)傳感技術(shù)，利用EO/IR/THz/RF頻率的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/短程、主動(dòng)/被動(dòng)、隱形/隱形。量子成像系統(tǒng)可以使用各種技術(shù)和量子協(xié)議；例如，SPAD、量子重影成像、亞散粒噪聲成像或量子照明，如在第3.4.4節(jié)中所述。一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)造小尺寸的量子成像系統(tǒng)不成問(wèn)題，關(guān)鍵參數(shù)是單光子/糾纏光子發(fā)射器的通量或單光子檢測(cè)分辨率和靈敏度。此外，大規(guī)模部署高光子通量的量子成像系統(tǒng)需要強(qiáng)大的處理能力，這可能會(huì)限制系統(tǒng)的部署能力和性能。

利用量子糾纏和光子數(shù)相關(guān)性的量子3D相機(jī)將引入快速3D成像，具有前所未有的聚焦深度和低噪聲，旨在實(shí)現(xiàn)亞散粒噪聲或遠(yuǎn)程性能，這種能力可以用于檢查和檢測(cè)偏差或結(jié)構(gòu)裂紋的噴氣式飛機(jī)，衛(wèi)星和其他敏感的軍事技術(shù)。無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程3D成像可用于偵察和探索任務(wù)目的地或敵方設(shè)施和設(shè)備。

另一種商用技術(shù)是量子氣體傳感器[232]。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)單光子量子激光雷達(dá)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)可以檢測(cè)甲烷泄漏，下一個(gè)準(zhǔn)備好的產(chǎn)品是能夠檢測(cè)二氧化碳(CO2)的多氣體檢測(cè)器，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和校準(zhǔn)，它也可以用于人體檢測(cè)。

近距離的一個(gè)具體特征是，在拐角后或視線之外的能見(jiàn)度[126]。這些方法有助于定位和找回被困人員、人質(zhì)或通過(guò)檢測(cè)拐角處駛來(lái)的車輛來(lái)改善自動(dòng)駕駛。

量子成像可以作為弱光或低信噪比的視覺(jué)設(shè)備，例如，在渾濁的水、霧、灰塵、煙霧、叢林樹(shù)葉或夜間的環(huán)境中，會(huì)有優(yōu)勢(shì)。低信噪比量子成像有助于利用低信噪比或隱藏的可見(jiàn)特征進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)、分類和識(shí)別，并有可能對(duì)抗敵人的偽裝或其他目標(biāo)欺騙技術(shù)。當(dāng)直升機(jī)飛行員在多塵、多霧或多煙的環(huán)境中著陸時(shí)，量子成像將非常有用[9]。

一個(gè)重要的產(chǎn)品是量子測(cè)距儀[233，234]，傳統(tǒng)測(cè)距儀使用明亮的激光，很容易被目標(biāo)探測(cè)到。當(dāng)從目標(biāo)觀察時(shí)，量子測(cè)距儀在時(shí)間和光譜上都無(wú)法與背景區(qū)分開(kāi)來(lái)。換句話說(shuō)，量子測(cè)距儀將是隱形的，包括在夜間，而經(jīng)典測(cè)距儀可以被目標(biāo)或其他人看到。

在某些情況下，量子鬼成像可以發(fā)揮量子激光雷達(dá)的作用[235]，尤其是當(dāng)目標(biāo)不移動(dòng)或移動(dòng)非常緩慢，并且3D成像需要聚焦深度時(shí)。

5.6量子電子戰(zhàn)

關(guān)鍵點(diǎn)：

通過(guò)更小的通用量子天線、精確計(jì)時(shí)和先進(jìn)的射頻頻譜分析儀增強(qiáng)當(dāng)前電子戰(zhàn)。

量子信道探測(cè)的問(wèn)題。

當(dāng)量子信道被定位時(shí)，幾種類型的攻擊被考慮和開(kāi)發(fā)。

量子電子戰(zhàn)可分為量子增強(qiáng)經(jīng)典電子戰(zhàn)和以對(duì)抗、反對(duì)抗和支持對(duì)抗量子信道為主的量子電子戰(zhàn)。量子信道是指為量子互聯(lián)網(wǎng)、量子雷達(dá)或另一個(gè)使用自由空間或光纖通道的量子系統(tǒng)傳送攜帶量子信息的光子。

用于電子支援措施的經(jīng)典電子戰(zhàn)系統(tǒng)可以受益于量子天線。基于里德堡原子的量子天線可以提供與測(cè)量信號(hào)波長(zhǎng)(頻率)無(wú)關(guān)的小尺寸[122，123]。這意味著即使對(duì)于低頻(MHz到kHz[124，236])信號(hào)攔截，幾微米的量子天線也是足夠的?？梢杂杏糜诓煌瑤挼亩囝l測(cè)量的量子天線陣列，也可以是根據(jù)興趣動(dòng)態(tài)改變帶寬的一個(gè)天線。此外，基于里德堡原子的天線可以測(cè)量AM和FM信號(hào)，提供自校準(zhǔn)，測(cè)量弱場(chǎng)和非常強(qiáng)的場(chǎng)，并檢測(cè)到達(dá)角度[125]。未來(lái)，量子天線可能看起來(lái)像里德堡原子陣列(矩陣)，不同的小區(qū)可以測(cè)量不同的信號(hào)，并且在兩個(gè)或更多小區(qū)的聯(lián)合測(cè)量中，可以確定信號(hào)的到達(dá)角度，這種天線最薄弱的方面是冷卻里德堡原子所需的低溫，需要將其縮小到可接受的尺寸?？偟膩?lái)說(shuō)，量子射頻傳感器是高級(jí)LPD/LPI通信、超視距定向射頻、抗射頻干擾、射頻測(cè)向或射頻太赫茲成像的關(guān)鍵促成因素。例如，陣列量子射頻傳感器是作為戰(zhàn)斗機(jī)F-35的潛在升級(jí)而開(kāi)發(fā)的[237]。

經(jīng)典電子戰(zhàn)也可以受益于量子計(jì)算，為電子戰(zhàn)提供改進(jìn)的射頻頻譜分析儀，在電子戰(zhàn)中可以應(yīng)用量子優(yōu)化和量子ML/AI技術(shù)。通過(guò)直接處理和分析來(lái)自量子射頻傳感器(里德堡原子、NV色心)的量子數(shù)據(jù)[55]，可以達(dá)到更高的效率，其中量子計(jì)算機(jī)的影響可能更顯著。此外，其他基于量子的解決方案和方法正在開(kāi)發(fā)中，如基于NV色心的RF頻譜分析或基于SHB的彩虹分析儀[238]。

當(dāng)前的電子戰(zhàn)系統(tǒng)也將受益于量子計(jì)時(shí)，量子計(jì)時(shí)可以增強(qiáng)信號(hào)情報(bào)、反DRFM(數(shù)字射頻存儲(chǔ)器)和其他需要精確計(jì)時(shí)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)的能力；例如，反雷達(dá)干擾能力。

量子電子戰(zhàn)的另一個(gè)領(lǐng)域?qū)⑹切盘?hào)情報(bào)(SIGINT)和通信情報(bào)(COMINT)(探測(cè)、攔截、識(shí)別、定位)和量子電子攻擊(干擾、欺騙、使用直接能量武器)。量子信道(用于量子通信或量子成像)具有特定的特征，第一，簡(jiǎn)單的信號(hào)攔截是有問(wèn)題的，因?yàn)榱孔訑?shù)據(jù)是由單個(gè)量子攜帶的，它們的攔截很容易被檢測(cè)到；第二，典型的量子成像技術(shù)使用低信噪比，這意味著在沒(méi)有額外知識(shí)的情況下識(shí)別信號(hào)和噪聲是一項(xiàng)挑戰(zhàn)；第三，通常用作信號(hào)的相干光子類似于非常聚焦的激光，在不知道至少一方位置的情況下找到這樣的量子信號(hào)是非常具有挑戰(zhàn)性的。這些特性使得經(jīng)典電子戰(zhàn)變得過(guò)時(shí)，并且對(duì)量子信道是不可見(jiàn)的。

即使對(duì)于潛在的量子電子戰(zhàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種情況也很困難，因?yàn)槭欠裼锌赡芴綔y(cè)到量子(自由空間)信道的存在仍是個(gè)問(wèn)題，這將需要開(kāi)發(fā)激光預(yù)警接收器的量子模擬[239]。對(duì)于量子電子戰(zhàn)來(lái)說(shuō)，讓英特爾了解使用量子通道的一方或雙方的位置至關(guān)重要。

經(jīng)典電子戰(zhàn)將在自由空間經(jīng)典信道進(jìn)行攔截和竊聽(tīng)。然而，在量子信道中這會(huì)被迅速地檢測(cè)到。一種可能的攻擊是中間人類型的攻擊[240，241]，因?yàn)樵缙诘牧孔泳W(wǎng)絡(luò)各方可能在身份認(rèn)證或可信中繼器方面存在問(wèn)題。其他類型的攻擊在量子物理層面，例如，光子數(shù)分裂攻擊依賴于將相干激光脈沖用于量子通道[81]或特洛伊木馬攻擊[82]，或者散射光的收集和探測(cè)[242]。然而，這些類型的攻擊非常復(fù)雜，其實(shí)用性（例如在太空中）是不確定的。

量子電子戰(zhàn)攻擊更有可能的只是一種拒絕服務(wù)，在這種情況下，量子信道被攔截，導(dǎo)致信道的使用停止。另一種可能性是一側(cè)或兩側(cè)的接收器受到復(fù)雜的干擾，導(dǎo)致巨大的噪聲。當(dāng)接收機(jī)或發(fā)射機(jī)的位置已知時(shí)，經(jīng)典電子戰(zhàn)的另一種對(duì)策是利用激光等定向能量武器，導(dǎo)致傳感器的損壞或破壞，這種攻擊也可以幫助竊聽(tīng)者。

總的來(lái)說(shuō)，需要開(kāi)發(fā)新的途徑和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)量子電子戰(zhàn)的能力并滿足相應(yīng)的要求。

5.7 量子雷達(dá)和激光雷達(dá)

關(guān)鍵點(diǎn)：

利用現(xiàn)有的量子微波技術(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)視量子雷達(dá)是不可能的。

光學(xué)領(lǐng)域的可能應(yīng)用——量子激光雷達(dá)。

量子雷達(dá)可以用于太空戰(zhàn)。

對(duì)量子雷達(dá)話題的理解[141，243，244]受到聲稱中國(guó)量子雷達(dá)發(fā)展的媒體炒作[245，246]或樂(lè)觀的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的影響。事實(shí)上，量子雷達(dá)的理論優(yōu)勢(shì)和特征是顯著的(其中一些取決于單獨(dú)的量子協(xié)議)：

更高的抗噪聲能力——即更好的信噪比——更高的抗干擾和其他電子戰(zhàn)對(duì)抗能力；

基于單個(gè)光子；即輸出信號(hào)功率低到電子戰(zhàn)措施也看不到；

目標(biāo)照明；即允許識(shí)別目標(biāo)的雷達(dá)。

基于一系列獨(dú)特的量子雷達(dá)功能，它可能是一項(xiàng)具有強(qiáng)大破壞性的技術(shù)，可能會(huì)改變現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的規(guī)則。因此，盡管技術(shù)尚不成熟，并且對(duì)于量子雷達(dá)是否可以作為標(biāo)準(zhǔn)的主要監(jiān)視雷達(dá)存在許多疑問(wèn)，但國(guó)際上正在關(guān)注這一主題。

此外，許多人會(huì)立即將量子雷達(dá)想象成射程數(shù)百公里的遠(yuǎn)程監(jiān)視雷達(dá)，而量子雷達(dá)的這種應(yīng)用似乎不太可能[247，248]。這種最優(yōu)的遠(yuǎn)期監(jiān)視量子雷達(dá)將非常昂貴(比任何范圍內(nèi)的經(jīng)典雷達(dá)的成本高出許多數(shù)量級(jí))[247]，而且它仍然不能實(shí)現(xiàn)上述所有優(yōu)勢(shì)和功能。

簡(jiǎn)而言之，實(shí)際問(wèn)題如下[247]，量子雷達(dá)也受制于雷達(dá)方程，接收功率隨著距離的四次方而損失。同時(shí)，為了保持量子優(yōu)勢(shì)，每個(gè)模式需要一個(gè)或更少的光子。總之，需要在微波范圍內(nèi)，產(chǎn)生由低光子模式構(gòu)成的相對(duì)較高的功率，這需要大量的量子信號(hào)發(fā)生器、低溫技術(shù)、大尺寸天線等。所有這些導(dǎo)致極高的成本和不切實(shí)際的設(shè)計(jì)[137，247]，科學(xué)家需要拿出更實(shí)用的量子微波技術(shù)來(lái)克服這些困難。

除了高昂的價(jià)格之外，對(duì)探測(cè)隱形目標(biāo)或抗干擾能力的質(zhì)疑也依然存在。量子雷達(dá)可能有利于對(duì)抗阻塞式干擾機(jī)，但不一定能對(duì)抗DRFM或其他智能干擾機(jī)[247]?？傊词箯拈L(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，遠(yuǎn)程監(jiān)視量子雷達(dá)也不太可能實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們需要發(fā)展新技術(shù)，允許更小的低溫、在更高溫度下工作的射頻量子發(fā)射器或更有效的低溫冷卻，以及更強(qiáng)大的發(fā)射器(高速低光子脈沖)。請(qǐng)注意，即使研制出室溫超導(dǎo)材料，也無(wú)助于糾纏微波光子產(chǎn)生的約瑟夫森參量放大器(Josephson parametric amplifier，JPA)方法[249]。然而，JPA并不是獲得糾纏微波光子的唯一方法[137]，未來(lái)發(fā)現(xiàn)量子雷達(dá)的新理論和新設(shè)計(jì)并非完全不可能，上述遠(yuǎn)程監(jiān)視量子雷達(dá)體積、重量和功耗都比較大，并且這種雷達(dá)是否是隱形的也是值得懷疑的[247]。

另一個(gè)問(wèn)題是量子照明(QI)協(xié)議情況下的測(cè)距。QI協(xié)議需要預(yù)先知道目標(biāo)，因此，無(wú)論是經(jīng)典的還是量子的，需要對(duì)測(cè)距進(jìn)行一些擴(kuò)展[6]。

幾年來(lái)，人們認(rèn)為量子雷達(dá)截面積(RCS)大于經(jīng)典雷達(dá)截面積[250，251]。對(duì)量子雷達(dá)截面積[252]的一項(xiàng)新的精確研究表明，之前聲稱的量子雷達(dá)截面積優(yōu)于經(jīng)典雷達(dá)截面積的優(yōu)勢(shì)源于錯(cuò)誤的近似，量子和經(jīng)典雷達(dá)截面積目前看似不相上下。

另一種方法可以是量子增強(qiáng)噪聲雷達(dá)[137，253，254]。噪聲雷達(dá)使用噪聲波形作為傳輸信號(hào)，檢測(cè)是基于傳輸信號(hào)和接收到的噪聲波形雷達(dá)回波之間的相關(guān)性。其優(yōu)點(diǎn)是低截獲概率(LPI)，幾乎無(wú)法被當(dāng)今的截獲接收機(jī)探測(cè)到，量子噪聲雷達(dá)的設(shè)計(jì)需要更多的研究，才能看到實(shí)際的適用性，然而，這里的一個(gè)潛在用途是用于微波領(lǐng)域。

然而，當(dāng)前的理論和研究在雷達(dá)領(lǐng)域有應(yīng)用，尤其是使用光學(xué)或近光學(xué)光子的雷達(dá)領(lǐng)域，即量子激光雷達(dá)。短程量子激光雷達(dá)可以用于短距離的目標(biāo)照明，單光子成像實(shí)驗(yàn)在10公里[255]到45公里[256]范圍內(nèi)進(jìn)行，在這個(gè)范圍內(nèi)，量子激光雷達(dá)可以作為反無(wú)人機(jī)監(jiān)視雷達(dá)或作為SHORAD(短程防空)綜合體的一部分。

太空可以是量子雷達(dá)/激光雷達(dá)[257]的有利環(huán)境的另一個(gè)例子，其對(duì)于光學(xué)領(lǐng)域是低噪聲的，并且它甚至幾乎消除了在糾纏光子的退相干問(wèn)題。例如，雷神公司在太空的光學(xué)領(lǐng)域?qū)α孔永走_(dá)進(jìn)行模擬[258，259]。這個(gè)想法是在衛(wèi)星上安裝一個(gè)量子雷達(dá)，探測(cè)那些由于橫截面積小、反射率低、環(huán)境光照條件差而難以探測(cè)到的小衛(wèi)星，在太空環(huán)境部署量子雷達(dá)/激光雷達(dá)可以提供上面列出幾乎所有優(yōu)勢(shì)。

這里要特別提到量子增強(qiáng)雷達(dá)，經(jīng)典雷達(dá)可以配備原子鐘或量子時(shí)鐘，量子增強(qiáng)雷達(dá)顯示出高精度和低噪聲，因此在探測(cè)小型緩慢移動(dòng)物體(如無(wú)人機(jī))方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)[260]。

5.8量子水下戰(zhàn)爭(zhēng)

關(guān)鍵點(diǎn)：

潛艇可能是量子慣性導(dǎo)航的首批采用者之一。

量子磁力計(jì)作為探測(cè)潛艇或水下水雷的主要工具。

量子技術(shù)可以通過(guò)增強(qiáng)潛艇或水下水雷的磁探測(cè)、新型慣性潛艇導(dǎo)航和量子增強(qiáng)的精確聲納，對(duì)水下戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)行重大干擾。一般來(lái)說(shuō)，在海洋環(huán)境中，可以應(yīng)用基于量子光電探測(cè)器、雷達(dá)、激光雷達(dá)、磁力計(jì)或重力儀的傳感技術(shù)[257]。關(guān)于量子技術(shù)對(duì)核武器潛艇近乎無(wú)懈可擊的影響的概述，見(jiàn)[261]。

潛艇和其他水下運(yùn)載工具將受益于量子慣性導(dǎo)航。大型潛艇可能是量子慣性導(dǎo)航的首批采用者之一，因?yàn)樗鼈兛梢园惭b更大的量子設(shè)備，包括低溫冷卻。此外，靈敏的量子磁力計(jì)和重力儀可以幫助繪制周圍環(huán)境的地圖，如海底峽谷、冰山和褶皺的海底，而無(wú)需使用易于檢測(cè)的聲納。另一種特別適合水下北極導(dǎo)航的慣性導(dǎo)航的例子是量子成像[262]。

反潛戰(zhàn)的基本工具可能是量子磁力計(jì)。研究人員預(yù)計(jì)，特別是SQUID磁力計(jì)可以探測(cè)到6公里外的潛艇，同時(shí)還能改善噪聲抑制[263，264]。請(qǐng)注意，目前的經(jīng)典磁異常探測(cè)器通常安裝在直升機(jī)或飛機(jī)上，其范圍只有數(shù)百米。沿著海岸的量子磁力計(jì)陣列可以覆蓋重要的區(qū)域，導(dǎo)致潛艇無(wú)法進(jìn)入。此外，量子磁力計(jì)陣列似乎在噪聲更受抑制的情況下工作得更好。

量子磁力計(jì)也可用于探測(cè)水下水雷，例如使用無(wú)人水下船只[230]。

但是，第5.5.1節(jié)主要討論的是檢測(cè)范圍、靈敏度等，如聲納等其他水下領(lǐng)域的技術(shù)能探測(cè)更長(zhǎng)的距離[229]。[261]中還指出，量子技術(shù)對(duì)SSBN(彈道導(dǎo)彈潛艇)影響不大。量子磁力計(jì)有可能與其他傳感器一起工作，以幫助檢測(cè)、識(shí)別和分類目標(biāo)[229]。

5.9量子太空戰(zhàn)

關(guān)鍵點(diǎn)：

對(duì)遠(yuǎn)程量子通信很重要。

近地球軌道對(duì)于未來(lái)量子傳感和成像技術(shù)的部署非常重要。

太空戰(zhàn)將導(dǎo)致在太空部署新的量子雷達(dá)/激光雷達(dá)和量子電子戰(zhàn)技術(shù)。

太空領(lǐng)域正變得越來(lái)越重要，將成為發(fā)達(dá)國(guó)家的重要戰(zhàn)場(chǎng)。太空過(guò)去主要用于衛(wèi)星導(dǎo)航、測(cè)繪、通信和監(jiān)視，通常用于軍事目的。如今，太空正變得越來(lái)越武器化[265]，比如把裝有激光武器的衛(wèi)星或者神風(fēng)衛(wèi)星放置在地球軌道上，反衛(wèi)星戰(zhàn)爭(zhēng)也在同步發(fā)展。另一個(gè)激增的問(wèn)題是太空垃圾的數(shù)量，估計(jì)有2200顆衛(wèi)星，還有幾個(gè)計(jì)劃已經(jīng)公布[266]。

太空也將是將量子傳感和通信技術(shù)[267–271]應(yīng)用于衛(wèi)星以及也是太空對(duì)抗的關(guān)鍵。

對(duì)于上述許多量子技術(shù)應(yīng)用，最好將量子傳感技術(shù)，如量子重力儀、重力梯度儀或磁力計(jì)放置在地球軌道上的衛(wèi)星上，尤其是低軌道衛(wèi)星。此類應(yīng)用正在開(kāi)發(fā)中，例如，一種低功率量子重力傳感裝置，可以部署在小型衛(wèi)星的太空中，用于精確測(cè)繪資源或幫助評(píng)估自然災(zāi)害的影響[272]。然而，這種應(yīng)用不需要太高的空間分辨率。這同樣適用于基于衛(wèi)星的量子成像，例如，中國(guó)聲稱開(kāi)發(fā)了一種使用鬼成像技術(shù)的衛(wèi)星[273]，然而，它的空間分辨率是不確定的，量子鬼成像的優(yōu)點(diǎn)是可以在多云、多霧的天氣或夜間使用。

另一方面，利用衛(wèi)星進(jìn)行量子通信已經(jīng)得到證實(shí)[62，274]?；谛l(wèi)星的量子通信對(duì)于遠(yuǎn)距離的近期集成量子網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要[275],當(dāng)前的量子通信衛(wèi)星，面臨與光纖信道的可信中繼器相同的問(wèn)題。事實(shí)上，現(xiàn)在的量子衛(wèi)星就是可信中繼器，可信中繼器的問(wèn)題在于，它們?yōu)樾l(wèi)星控制系統(tǒng)可能遭受的網(wǎng)絡(luò)攻擊敞開(kāi)了大門。而目前演示的MDI-QKD協(xié)議具有更好的安全性[276]，其中中心點(diǎn)作為中繼器或交換機(jī)工作，但處于安全狀態(tài)，隨后使用量子中繼器。有關(guān)空間量子通信的概述，請(qǐng)參見(jiàn)[270，271]。

一項(xiàng)新的所需軍事能力將是探測(cè)其他衛(wèi)星、太空物體、太空垃圾并跟蹤它們的技術(shù)。經(jīng)典雷達(dá)用于此目的，例如，作為美國(guó)太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)一部分的Space Fence項(xiàng)目。然而，這些大多數(shù)太空監(jiān)視雷達(dá)都存在尺寸約為10厘米或更小的問(wèn)題[266](在空間圍欄的情況下，最小尺寸約為5厘米)，另一個(gè)問(wèn)題是容量，即它們可以跟蹤多少個(gè)物體，大多數(shù)只有幾厘米大小的太空垃圾就是這種情況。量子雷達(dá)或激光雷達(dá)被認(rèn)為是代替經(jīng)典雷達(dá)的一種選擇[6，257，259]。尤其在太空環(huán)境中，使用光學(xué)領(lǐng)域的量子雷達(dá)[259]，因?yàn)楣庾硬粫?huì)像在大氣中那樣遭受損失?？臻g量子雷達(dá)擁有量子雷達(dá)的大部分優(yōu)點(diǎn)，如第5.7節(jié)所述，包括隱形。根據(jù)模擬[259]，與GEODSS(基于地面的光電深空監(jiān)視)相比，在太空中，空間量子雷達(dá)的探測(cè)靈敏度和目標(biāo)跟蹤靈敏度至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)。空間量子雷達(dá)將非常有助于跟蹤小型、黑暗和快速的物體，如衛(wèi)星、太空垃圾或流星體。

量子傳感和通信設(shè)備在太空中的不斷增加將導(dǎo)致人們對(duì)量子電子戰(zhàn)的興趣增加，如第5.6節(jié)所述。

5.10 化學(xué)和生物模擬和檢測(cè)

關(guān)鍵點(diǎn)：

200個(gè)量子比特足以進(jìn)行化學(xué)量子模擬研究。

實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜模擬的能力隨著邏輯量子比特的數(shù)量而提高。

空氣或樣品中的化學(xué)檢測(cè)。

適用于檢測(cè)爆炸物和化學(xué)戰(zhàn)劑。

軍事和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)防御工業(yè)或CBRN(化學(xué)、生物、放射和核)國(guó)防部隊(duì)對(duì)國(guó)防相關(guān)的化學(xué)和生物模擬感興趣。基于量子模擬的新藥和化學(xué)物質(zhì)的研究將需要先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)、經(jīng)典計(jì)算設(shè)備和量子化學(xué)專家?；瘜W(xué)和生物化學(xué)戰(zhàn)劑的量子模擬原則上與民用研究具有相同的要求，例如已經(jīng)在進(jìn)行的蛋白質(zhì)折疊、固氮和肽研究。

所需量子比特的數(shù)量取決于空間基函數(shù)的數(shù)量(存在各種基集，例如STO-3G、6-31G或cc-pVTZ)；例如，在6-31G的基礎(chǔ)上，苯和咖啡因分子可以分別用大約140和340量子比特近似模擬。[278]。然后，沙林分子模擬需要大約250個(gè)量子比特。根據(jù)量子計(jì)算機(jī)路線圖[27，279]和邏輯量子比特的要求，人們可以在10年內(nèi)達(dá)到100個(gè)邏輯量子比特，但可能會(huì)更早地實(shí)現(xiàn)更有效的糾錯(cuò)和抗錯(cuò)量子比特，這對(duì)于中等大小的分子模擬是足夠的。

威脅可能是設(shè)計(jì)和精確模擬新的中小型分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，這些分子可能起到類似于氰、光氣、氯化氰、沙林或Yperit等化學(xué)戰(zhàn)劑的作用。另一方面，同樣的知識(shí)也可以用于CBRN對(duì)策和新的探測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

關(guān)于蛋白質(zhì)折疊、DNA和RNA探索的研究，如基序識(shí)別、全基因組關(guān)聯(lián)研究和從頭結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)[280]，也可能影響生物制劑的研究[281]。然而，需要更詳細(xì)的研究來(lái)評(píng)估量子模擬的真正威脅。

量子級(jí)聯(lián)激光器光聲檢測(cè)是一種有效的化學(xué)檢測(cè)器。例如，量子化學(xué)探測(cè)器可以探測(cè)到簡(jiǎn)易爆炸裝置(IED)中使用的TNT和三過(guò)氧化三丙酮元素，簡(jiǎn)易爆炸裝置是不對(duì)稱沖突中常用的武器，同樣的丙酮檢測(cè)系統(tǒng)也可用于識(shí)別攜帶爆炸物的登機(jī)行李和乘客。量子化學(xué)檢測(cè)一般可用于對(duì)付化學(xué)戰(zhàn)劑或有毒工業(yè)化學(xué)品[282，283]。

從中遠(yuǎn)期來(lái)看，這種探測(cè)器可以安裝在在自主無(wú)人機(jī)或用于檢查某個(gè)區(qū)域的地面車輛上[284]。

5.11 新材料設(shè)計(jì)

關(guān)鍵點(diǎn)：

一般研究影響；例如，室溫超導(dǎo)允許高精度的SQUID磁力計(jì)在沒(méi)有冷卻的情況下工作，這可以對(duì)軍事量子技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生顯著影響。

國(guó)防工業(yè)對(duì)偽裝、隱形、超硬裝甲或耐高溫材料的研究。

現(xiàn)代科學(xué)通過(guò)利用量子力學(xué)特性(如石墨烯，拓?fù)浣^緣體)開(kāi)發(fā)新材料，超材料，有時(shí)稱為量子材料。作為量子系統(tǒng)的材料可以用量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬，比如材料的電子結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于室溫超導(dǎo)體、更好的電池和特定材料特性的改進(jìn)。

為了更詳細(xì)地解釋，室溫超導(dǎo)材料利用了高溫下的超導(dǎo)性[285]，這將允許構(gòu)建約瑟夫遜結(jié)，通常用作SQUID或超導(dǎo)量子比特的構(gòu)建模塊。到目前為止，需要接近絕對(duì)零度的冷卻。據(jù)預(yù)計(jì)，一臺(tái)大約70個(gè)邏輯量子比特的量子計(jì)算機(jī)[286]足以用于高溫超導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究。

對(duì)于國(guó)防工業(yè)，研究新材料的機(jī)會(huì)，如更好的偽裝、隱形(電磁吸收)、超硬裝甲或耐高溫材料設(shè)計(jì)，都在考慮之中，但沒(méi)有透露任何細(xì)節(jié)。

5.12 腦成像和人機(jī)接口

關(guān)鍵點(diǎn)：

量子腦磁成像

增強(qiáng)的人機(jī)接口

腦磁圖（magneto-encephalography）掃描儀是一種醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量流經(jīng)神經(jīng)元集合的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)可視化大腦正在做什么。例如，基于光泵磁力計(jì)[287]的量子磁力計(jì)可以生成高分辨率腦磁圖，用于實(shí)時(shí)大腦活動(dòng)成像，這項(xiàng)技術(shù)是安全的和非侵入性的，并且已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

在不久的將來(lái)，量子腦磁圖可以成為士兵頭盔的一部分，用于在受傷的情況下進(jìn)行連續(xù)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測(cè)和診斷。遠(yuǎn)期預(yù)期包括增強(qiáng)人機(jī)接口，即與機(jī)器和自主系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際非侵入式認(rèn)知通信[11]。

上面提到的許多量子技術(shù)軍事應(yīng)用聽(tīng)起來(lái)非常樂(lè)觀，一些應(yīng)用摘自各種報(bào)告和報(bào)紙或雜志文章，其中作者可能高估了從實(shí)驗(yàn)室到戰(zhàn)場(chǎng)的量子技術(shù)轉(zhuǎn)移，或者受到了量子技術(shù)炒作的影響[288]。當(dāng)話題涉及國(guó)家安全或國(guó)防時(shí)，避免夸大預(yù)期尤為重要。

上述量子技術(shù)軍事應(yīng)用是基于公共領(lǐng)域的最新研究的，并輔以各種有關(guān)國(guó)防應(yīng)用的報(bào)道、報(bào)紙或雜志文章。由于沒(méi)有這些技術(shù)的公開(kāi)信息，因此沒(méi)有對(duì)這幾種技術(shù)的可行性提出關(guān)鍵意見(jiàn)。在這些情況下，讀者應(yīng)該更加謹(jǐn)慎和挑剔，直到有更詳細(xì)的研究可用。

大型國(guó)防公司和國(guó)家國(guó)防實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)一直有量子研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，然而，只有一些詳細(xì)的信息是公開(kāi)交流的。

對(duì)于許多提到的量子技術(shù)，迄今為止只提供了實(shí)驗(yàn)室概念證明，決定量子技術(shù)能否在實(shí)驗(yàn)室之外廣泛應(yīng)用的決定性因素是組件微型化和對(duì)干擾的敏感性，這些改進(jìn)不能以犧牲靈敏度、分辨率和功能為代價(jià)，實(shí)際部署的另一個(gè)決定性因素是技術(shù)的價(jià)格。

總之，考慮到量子技術(shù)研究和支持系統(tǒng)的進(jìn)步，如過(guò)去幾年中激光和低溫冷卻微型化，有理由對(duì)未來(lái)量子技術(shù)的軍事應(yīng)用持樂(lè)觀態(tài)度，而不是悲觀態(tài)度(從軍事或政府行為者的角度)。我們需要仔細(xì)考慮作戰(zhàn)部署中的實(shí)際能力，看看它們是否滿足要求，以及性價(jià)比是否足以證明采購(gòu)和部署的合理性。

用于軍事應(yīng)用的量子技術(shù)的開(kāi)發(fā)、獲取和部署將帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。量子戰(zhàn)爭(zhēng)的概念將對(duì)軍事戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和理論、倫理和裁軍活動(dòng)以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)和部署提出新的要求，應(yīng)開(kāi)展研究，以了解量子技術(shù)發(fā)展中產(chǎn)生的問(wèn)題、影響、威脅和選擇，而不僅僅是軍事應(yīng)用。

7.1 軍事后果和挑戰(zhàn)

軍事應(yīng)用中的量子技術(shù)有可能提高現(xiàn)有能力，例如提供更精確的導(dǎo)航、超安全通信或先進(jìn)的ISTAR和計(jì)算能力。總的來(lái)說(shuō)，量子戰(zhàn)爭(zhēng)將需要更新、修改或創(chuàng)造新的軍事理論、軍事場(chǎng)景和計(jì)劃，以開(kāi)發(fā)和獲取量子時(shí)代的新技術(shù)和武器。

在此之前，需要制定技術(shù)政策和戰(zhàn)略，以應(yīng)對(duì)各個(gè)參與者的戰(zhàn)略雄心。例如，國(guó)家技術(shù)政策和戰(zhàn)略應(yīng)包括國(guó)家量子技術(shù)資源(大學(xué)、實(shí)驗(yàn)室和公司)和市場(chǎng)的研究、發(fā)展?fàn)顩r和可行性研究以及軍事和安全威脅和潛在評(píng)估。

監(jiān)測(cè)量子技術(shù)的演變和適應(yīng)性對(duì)于避免鄰國(guó)或潛在敵對(duì)國(guó)家的技術(shù)意外是至關(guān)重要的。對(duì)一些國(guó)家來(lái)說(shuō)，即使量子技術(shù)超出了它們的財(cái)力、研究或技術(shù)能力，量子戰(zhàn)監(jiān)控也是必不可少的。因此，所有的現(xiàn)代軍隊(duì)都應(yīng)該對(duì)量子戰(zhàn)爭(zhēng)可能帶來(lái)的影響感興趣。

國(guó)家貿(mào)易和出口政策也很重要。例如，歐盟已經(jīng)宣布量子計(jì)算是一項(xiàng)具有全球戰(zhàn)略重要性的新興技術(shù)，并正在考慮對(duì)名為地平線歐洲的研究項(xiàng)目進(jìn)行嚴(yán)格的訪問(wèn)。此外，中國(guó)禁止出口密碼技術(shù)，包括量子密碼。

另一個(gè)主題是與盟友仔細(xì)交流重要的量子優(yōu)勢(shì)，尤其是在量子ISTAR和量子網(wǎng)絡(luò)能力方面，這可能會(huì)泄露軍事機(jī)密，如機(jī)密文件，核潛艇位置或地下設(shè)施。力量平衡的破壞會(huì)讓盟友以及中立或敵對(duì)的玩家感到不安。

7.2 和平與道德的后果和挑戰(zhàn)

迄今為止，第5節(jié)中所述的量子技術(shù)的軍事應(yīng)用并沒(méi)有引進(jìn)新的武器，即使它們使現(xiàn)有的軍事技術(shù)更加先進(jìn);例如，通過(guò)開(kāi)發(fā)更精確的傳感和導(dǎo)航，新的計(jì)算能力和更強(qiáng)的信息安全。然而，量子技術(shù)，尤其是軍事應(yīng)用，對(duì)世界和平是好是壞的問(wèn)題是相關(guān)的。

已經(jīng)出現(xiàn)了各種要求量子計(jì)算倫理準(zhǔn)則的呼聲，提到了很多倫理問(wèn)題，如人類DNA操縱、為戰(zhàn)爭(zhēng)和入侵性人工智能創(chuàng)造新材料。

盡管量子技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生新的武器，但它們對(duì)現(xiàn)有軍事技術(shù)的改進(jìn)將提高這種能力，縮短攻擊、警告和決策的時(shí)間。因此，即使在降低個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，量子技術(shù)也能使使用武力的可能性更大，從而使戰(zhàn)爭(zhēng)更有可能。

量子技術(shù)等通用兩用技術(shù)的預(yù)防性軍備控制將更加困難，因?yàn)樗鼈円部捎糜诿裼?，如醫(yī)學(xué)量子傳感。人們將其與納米技術(shù)進(jìn)行了類比，出口管制以防止或減緩其他國(guó)家或非國(guó)家組織的擴(kuò)散和軍事用途，是試圖減少量子技術(shù)構(gòu)成的任何威脅的最有可能的方式。

具體來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算研發(fā)非常昂貴。然而，我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種能夠簡(jiǎn)單可靠地生產(chǎn)量子比特的技術(shù)，這可以為技能較少的參與者帶來(lái)更便宜、分布更廣、更容易獲得的技術(shù)，這是即將出現(xiàn)問(wèn)題的軍事技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)。

7.3 技術(shù)后果和挑戰(zhàn)

將成功的實(shí)驗(yàn)室概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)化為真正的外部應(yīng)用面臨許多技術(shù)和工藝挑戰(zhàn)，例如微型化和可操作性，但不能以犧牲實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的靈敏度和分辨率為代價(jià)，此外，還有其他相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

其中一個(gè)挑戰(zhàn)可能是量子勞動(dòng)力。量子勞動(dòng)力不需要由物理學(xué)家或擁有博士學(xué)位的科學(xué)家組成，然而，他們應(yīng)該是具有量子信息科學(xué)知識(shí)和量子技術(shù)概述的量子工程師，能夠理解并能夠處理和評(píng)估來(lái)自量子傳感器、計(jì)算機(jī)和通信的輸出數(shù)據(jù)。目前，一個(gè)現(xiàn)有的量子生態(tài)系統(tǒng)正在持續(xù)增長(zhǎng)，這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)將需要越來(lái)越多的量子勞動(dòng)力。這需要培訓(xùn)和教育新的量子工程師和專家，也就是說(shuō)，越來(lái)越多的大學(xué)開(kāi)設(shè)量子課程，越來(lái)越多的學(xué)生選修量子課程。此外，讓這些人去軍隊(duì)工作會(huì)更加困難，因此，量子信息和量子技術(shù)的基本原理也應(yīng)該作為現(xiàn)代軍隊(duì)的軍事學(xué)院課程的一部分，量子技術(shù)將部署在這些軍事學(xué)院。

另一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是巨大的數(shù)據(jù)量。量子技術(shù)，通過(guò)所有的量子傳感器、量子成像、量子通信和計(jì)算，將產(chǎn)生大量經(jīng)典和量子數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將增加對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、處理和評(píng)估的要求，在規(guī)劃C4ISR和量子基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，應(yīng)該考慮這些要求。

最后的挑戰(zhàn)將是標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程對(duì)于不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備的互操作性非常重要。除了統(tǒng)一接口和通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程還可以包括安全驗(yàn)證，例如在后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程。在量子網(wǎng)絡(luò)的情況下，各種連接的設(shè)備(如節(jié)點(diǎn)、中繼器、交換機(jī)、光纖通道和開(kāi)放空間通道)是可以預(yù)期的，開(kāi)發(fā)和實(shí)施一些允許成功傳輸量子信息的標(biāo)準(zhǔn)是很重要的。

量子技術(shù)是一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，它利用對(duì)單個(gè)量子的操縱和控制來(lái)實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，具有潛在的破壞性，其中許多應(yīng)用是雙重用途的，或者直接用于軍事目的。然而，從TRL 1(觀察到的基本原理)到TRL6(在相關(guān)環(huán)境中展示的技術(shù))，各個(gè)量子技術(shù)都在技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室用于軍事用途。

用于軍事應(yīng)用的量子技術(shù)不僅將提供改進(jìn)和新的能力，還將需要制定新的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和政策，評(píng)估對(duì)全球和平與安全的威脅，并確定道德倫理問(wèn)題，所有這些都被稱為量子戰(zhàn)爭(zhēng)。

在本報(bào)告中，描述了不同TRL的各種量子技術(shù)，集中在國(guó)防部門的可能應(yīng)用或部署。由于從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用的過(guò)渡尚未實(shí)施或正在進(jìn)行中，量子技術(shù)部署的精確預(yù)測(cè)是不可能的，這引發(fā)了一些問(wèn)題，比如我們是否能夠提出一個(gè)解決方案，與通常便宜得多且通常已經(jīng)投入使用的經(jīng)典系統(tǒng)相比，它提供了真正的量子優(yōu)勢(shì)。盡管對(duì)量子技術(shù)可能的軍事應(yīng)用的描述聽(tīng)起來(lái)非常樂(lè)觀，但人們應(yīng)該警惕量子炒作，并關(guān)注量子技術(shù)在軍事應(yīng)用中的實(shí)際部署所面臨的挑戰(zhàn)。

量子技術(shù)有望產(chǎn)生戰(zhàn)略性的遠(yuǎn)期影響。然而，影響軍事和國(guó)防力量的技術(shù)意外的可能性相當(dāng)?shù)?，避免意外的最好方法是發(fā)展量子技術(shù)知識(shí)和監(jiān)控量子技術(shù)的發(fā)展和就業(yè)。謹(jǐn)慎對(duì)待量子技術(shù)，會(huì)起到量子保險(xiǎn)的作用。

報(bào)告原文：

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