“九章”问世，但是你了解量子战争吗？

在利用量子物理原理的各种学科及科学中，各种技术不断进步，比如前几天中国的量子计算机“九章”问世，掀起了关于量子计算讨论的热潮。量子计算、量子通信和量子传感器这三种量子技术应用潜力巨大，将会对未来战争产生巨大影响。无论是复杂环境下的战争决策，还是通信过程中的安全保障，无论是隐身于反隐身之间的较量，还是新型装备的研制与生产，无不渗透着“量子”的身影，未来的战争有相当大的一部分是量子战争。

量子物理学武器：技术如何改变战争

纽波特海军战争学院，罗德岛

美国海军丹尼斯·盖伊中尉

“我们必须正视现实，看到世界本来的样子，而不是我们所希望的样子。”国防部长詹姆斯·马蒂斯(James Mattis)的这句话，在当今充满挑战的战略环境中说得再准确不过了。在利用量子物理原理的各种学科及科学中，各种技术不断进步，而其中大部分是中国研究人员的成果。具有最高军事应用潜力的领域是量子计算、量子通信和量子传感器这三个领域。

在这些研究领域中，新兴技术带着机器学习领域和人工智能领域突飞猛进。通过光缆、自由空间空气和海水进行的量子通信将发展到能够在海军舰艇(包括飞机、潜艇和弹药)上部署这种超安全能力的水平。在探测环境变化的方面，高性能的传感器将带来前所未有的灵敏度，远远超过目前技术所能达到的领域;量子传感器将开启一个无处不在的传感时代，无论是海上的空间、海面层还是海底的军事资产，都将被侦测技术利用起来。

CNO和其他国防部领导一再声明，美国正面临大国竞争的危机。具体来说，俄罗斯和中国军事技术能力的进步正在破坏全球力量平衡。为了保持作为全球超级大国的地位，美国必须优先考虑量子技术实力，这将使其在对抗任何潜在对手时具有独特的军事优势。开展量子研究是至关重要的，应该积极推进。

全球未来研究所首席执行官兼主席詹姆斯·坎顿博士在题为《奇怪的科学:下一个会是什么》的章节中强调了量子计算的影响。具体地说，这里描述了几个与高级计算能力(包括经典和量子计算)有关的原因，这些能力将引导真正的智能机器和“网络的觉醒”。以前所未有的速度运行经典算法的能力，将引领人工智能和机器学习技术的更多进步。

麻省理工学院教授马克思·泰格马克（Max Tegmark）博士在描述程序员和计算机科学家在与超级智能人工智能交流我们的目标时所面临的固有问题时，提到了“迈达斯国王悖论”。当前的安全环境被围绕认知计算和深度学习时代的讨论所主导;实用量子计算机的激增无疑将有助于解决这些问题，提供可以用于捕获真正深度机器学习的超高速计算速度。虽然分析军事行动将如何受到人工智能技术的影响完全是另一回事，但这里的目的只是简单地将量子计算与先进人工智能的发展联系起来。

摩尔定律是由美国工程师、英特尔公司创始人之一戈登·摩尔在1965年提出的。这一深刻的观察结果过于简单地说明，可以放置在硅芯片上的晶体管的数量大约每两年就会翻一番。在过去的几十年里，这个定律一直保持着惊人的弹性，随着计算机技术的最新进展保持着速度(有时甚至超过了它)。摩尔定律继续适用的意义在于，我们将创造一个计算能力超过人脑的世界。如果这是真的，它的应用将会改变世界。

正如世界著名理论物理学家加来道雄（Michio Kaku）在2012年指出的那样，摩尔定律的问题在于，如果未来使用硅芯片和标准晶体管，这种指数级增长将受到限制。使用“标准硅技术”将终结摩尔定律，但量子计算机的出现仍能实现同样的计算能力指数增长速度。世界人口已经习惯了这种规模的计算机技术进步，因此工业将找到继续提供量子计算机的方法。

中国已经明确地认识到，计算机的量子未来是一个值得全国高度关注的问题。然而，尽管他们到目前为止作出了努力，但在这一相对较新的研究领域取得进展是很困难的。《南华早报》在2017年5月报道，中国东部的一个科学家团队已经建造了第一台量子计算机，他们说，它比上世纪40年代开发的早期一代传统计算机的速度还要快。虽然这一发展乍一看可能令人印象深刻，但这篇文章也一样指出，“中国团队承认他们的机器没有实际用途，因为它只执行这种高度复杂的计算形式，但它凸显了量子计算的未来潜力。”这个例子说明了两个重要的事实。一是中国在量子计算方面并不比美国领先多少年。另一个是，尽管这项技术进行了密集的研究和开发，但要实现实际应用可能还需要很多年。

深入研究不同类型的量子计算将会揭示这一技术的未来。中国人所采用的方法很可能与加拿大量子计算公司D-Wave Inc.使用的方法非常相似。这种方法被称为量子退火，它并不是为了追求实用的量子计算机而寻求的改变世界的技术。量子计算机的实际应用更适合在通用栅极模型下工作的计算机。同样，不考虑细节，这种方法使用起来要困难得多，需要很多年才能实现。

根据2017年4月的《麻省理工技术评论》，谷歌和IBM正在迅速接近量子霸权。量子优势是指量子计算机超过经典计算技术的能力。一旦达到了量子的霸权，实际的量子计算机的真正含义将是有效地使用两种基本的量子算法。Shor算法可用于破解标准加密，Grover算法可用于更快更有效的搜索。这些算法的影响可以在大量的文献中找到，并且在军事上有明确的应用。

“九章”量子计算机

量子通信是利用量子物理原理以前所未有的安全性和速度传输信息的新兴研究领域。到目前为止，测试和证明的协议使用量子密钥分配(QKD)，以及经典的电磁通信路径来提供双向通信。量子通信利用量子纠缠原理来确保量子密钥的超安全交换，同时利用经典的通信路径来传输信息。已经进行的实验证明了通过三种关键介质进行量子通信的可行性，每一种介质都可以被开发成具有独特的战略优势。

有人可能会问，为什么这项技术如此重要?这个问题的答案只需要对战术安全和军事行动有基本的了解。正如许多古典理论家所解释的那样，信息可以赢得战争。例如，卡尔·冯·克劳塞维茨在《论战争》一书中告诉军事战略家，消除冲突中的迷雾和摩擦可能会导致在其他情况下不可能取得的胜利。历史表明，有能力拦截和了解敌人的通信，可以获得明显的优势。纳粹德国的恩尼格玛密码被破解，苏联的水下电缆被窃听，二战期间日本在中途岛的计划被拦截，这些都证明了这一点。因此，无论在和平时期还是战争时期，维护安全通信都应是每个国家的首要任务。

量子通信的第一种媒介是通过光缆在两个地面站之间进行。在两个地点之间进行安全量子通信的能力，将确保一个国家保持其最敏感信息的完整性的能力。有一条1243英里长的光纤电缆连接着北京和上海的地面站。该链接为量子通信领域的快速失效和高速学习提供了测试平台。

量子通信的第二种媒介是在地面站和机载平台之间。这一能力已经被世界上唯一的量子卫星“墨子号”(Micius)证明，该卫星由中国拥有和操作。在这方面，中国在实验量子通信领域也取得了明显优势。

第三种也是最重要的量子通信媒介是通过海水。这一领域的研究虽然还不成熟，但近年来发展迅速。2017年8月，中国研究人员报告，已经测试并证明了海水作为介质的可行性，这表明向水下量子通信迈出了第一步。

这三种能力分别通过光缆、空气和海水进行量子通信，在对国家安全至关重要的行动需要战略通信的环境中，有可能造成破坏。然而，它们一起提供了一种前所未有的能力，完全保护所有国家资产所需要的所有通信。这项技术的协同作用和成熟度需要进一步研究，并应在尽可能高的级别进行审查。

这些技术的一个可行的合成模型可以在下面的例子中看到。一艘中国潜艇指挥当地行动需要定期通信。待在水下时，水下的量子通信可以通过潜艇和量子通信卫星墨子号之间的海水-空气接口进行。这种安全通信可以被接收并重新传输到北京的一个地面站。然后，该通信可以被传输到指挥中心，以进行潜艇的操作。一旦接收到消息，就可以使用相同的安全协议和传输路径以相反的方向发送消息。因此，从摇篮到坟墓，一艘潜艇在一开始就可以有能力在完全水下操作时进行通信(没有通信天线在水外)。

虽然下文将介绍更多内容，但一项紧急建议是突出这一技术作为研究和开发的优先事项。主要是通过政府和学术机构之间的拨款和合作，这一研究领域可以迅速成熟到可操作的水平。与潜艇在速度和深度上的安全通信(意思是不受限于保持慢和浅的通信天线离开水面)是一个关键的能力，应该发展。如果在量子通信领域没有明确的、经过深思熟虑的进展，通过各种媒介，中国将获得进行无拘无束的潜艇通信的能力，而美国则在迎头追赶。

墨子号卫星

量子传感器是一个新兴的研究领域，近年来得到了更多的研究热情。卡佩拉罗、德根和莱因哈德将量子感应描述为使用量子系统、量子特性或量子现象来执行一个物理量的测量。简单地说，这项科学旨在提供覆盖许多不同光谱的极其灵敏的传感能力。这里将讨论三种技术:先进的量子雷达系统、无GPS全球导航和无低温高精度磁测量。

量子雷达技术扩散的军事影响是巨大的。这项技术的基础科学与大多数人所理解的传统雷达完全不同。辛格(P. W. Singer)和杰弗里·林(Jeffery Lin)对这些差异做了很好的描述：

传统雷达通过发射无线电波来反射目标，而量子雷达则通过光纤耦合器、量子点或其他方法使用纠缠光子。纠缠光子从目标物体上反弹回量子雷达，可以从光子的返回时间推断目标物体的位置、雷达截面、速度、方向等属性。而且，欺骗量子雷达的尝试会立即被发现，因为任何改变或复制纠缠光子的尝试都会被雷达发现。

这就像量子物理学中的其他概念一样，很难理解，但在军事上却很容易理解。

中国目前正在开发射程为100公里的量子雷达，可以击败第五代飞机(如令人垂涎的先进攻击战斗机F-35)所使用的先进隐形技术。这将进一步复杂化战斗机和航空母舰在太平洋司令部的行动，甚至比已经完成的由于中国反舰弹道导弹(ASBM)计划。如果“太平洋司令部”的资产，特别是航空母舰和舰载机，将继续在国际法允许的任何地方运作，那么一种有效的量子雷达对抗技术就需要与美国的量子能力并行发展。

进一步说，有公开文献表明，中国试图利用这种技术来对抗美国的隐形平台。在《南华早报》最近的一篇文章中，讨论了幽灵成像技术来探测通常发生在夜间的隐形轰炸机的秘密起飞。这种技术不受天气影响，也不受妨碍常规收集方法的黑暗影响。如果美国不对量子雷达技术的研究和开发进行适当的投资，这一科学在未来几年将继续发展，进一步加深能力认知上的分歧。

量子雷达

2014年5月，英国国防部开始投资开发量子罗盘，这可能最终消除航海导航对GPS技术的过度依赖。这种改变游戏规则的技术应用于潜艇导航时非常有效。如果没有持续的GPS更新，潜艇的惯性导航系统可能每天误差一公里。使用量子导航系统，不确定度可降低1000倍至大约1米。技术细节超出了本文的讨论范围，但量子罗盘的进步可以对传统的弱磁场进行极其灵敏的测量，从而实现了这种能力的显著飞跃。这项技术仍在发展中，但一经完善，它将结束对天基资产的依赖，为美国海军增加了一种极其安全的方式，使其能够在不受GPS干扰的环境下作战。

在日益混乱的环境中，美国海军舰艇需要不受干扰影响的可靠导航工具。虽然对潜艇的重要性被证明，这项技术可以应用于水面舰艇，飞机，甚至精确制导弹药和导弹。通过积极的研究和开发获得这项技术，并迅速融入现有部队，将继续确保在竞争日益激烈的全球共同领域的航行自由。同样地，在使用这项技术方面的滞后风险严重妨碍了全球前沿部署的海军部队的安全和保障，同时允许对手肆无忌惮地行动。

量子卫星导航想象图

与量子导航技术一样，探测磁场微小变化的能力也导致了量子磁力仪的使用。这在军事上的重要性可以从海军飞机上使用的磁异常探测(MAD)设备中看出。配备了疯狂装置的飞机可以在低空飞行，探测地球磁场的变化，有可能发现隐藏的潜艇。然而，这种低姿态的飞行模式与海军P-8的传统高空搜索程序并不兼容。与其牺牲MAD系统在反潜战任务中的优势，无人机可以用来填补空白。在这里，量子磁力仪可以增强MAD，使其在高空使用时比传统传感器在低空操作时精度更高。

量子磁力仪最普遍的形式是超导量子干涉装置(SQUID)。令《南华早报》(South China Morning Post)记者陈(Stephen Chen)感到惊讶的是，当这些极其灵敏的磁力仪与潜艇探测之间的联系被提到后，中国科学院(Chinese Academy of Sciences)称赞的中国技术突破从新闻报道中消失。关于中国计划使用这种和其他破坏性技术来建造水下长城的公开资料还有很多。毫无疑问，一旦成熟，这些传感器将被用于军事力量，问题只是谁将最先到达那里。

随着基于量子力学原理的新型探测器的不断使用，相当于这样建立了一个磁透明的海洋，潜艇将不能够再在隐形的保护层下自由行动。在飞机上装备新的量子磁力仪将使高空飞行产生更好的情报、监视和侦察(ISR)收集，以及持续完成反潜战任务。虽然还没有开发出来，但在近地轨道(LEO)上装备这些超敏感传感器可能会进一步削弱全球所有潜艇所享有的隐形能力。

远程军事用途

虽然本文的重点是展示量子能力的发展所获得的技术优势，但应该清楚的是，这些技术将直接受益于一个国家的基础设施、安全和经济实力。换句话说，如果军事优势不足以刺激对这些技术的研究和资助，对民用部门的潜在影响也会增加其重要性。

量子计算的进步对许多领域都有明确而全面的影响，尤其是消费电子产品和各种版本的电子贸易、电子商务或基于在线的服务。云计算利用量子计算机，可以取代对笨重和昂贵的家用计算机的需求，允许所有的处理能力都存储在云中，可以提供一个新的家庭计算版本，支持小型和廉价的小型客户机类型系统。

同样，不可破解的量子通信将为遭受网络攻击或企业间谍活动的组织提供网络安全。这里不讨论量子钟，它对所有依赖于当今原子钟的行业部门都有影响，即金融机构和全球航船船队使用的GPS。

量子磁强计的进展可用于资源开采作业，以定位以前未发现的稀土金属节点。此外，这些传感器还可以用于搜寻和救援海上失踪的船只、潜艇或飞机。这些量子磁传感器在医学领域也有明确的应用。这些传感器可以更好地检测各种疾病和心脏状况。此外，这些传感器不依赖于目前医疗机构中笨重和昂贵的设备。

争夺第一

尽管量子技术的进步已经有了明确的例子，但一些批评人士说，这些能力远比上述分析假设的要遥远得多。虽然有些进展是缓慢的，可能会出现过度宣传，但这篇论文不是科幻小说。上述技术是世界上最好的大学正在研究的真正进步。说用于军事用途的量子技术的扩散不会马上发生是可悲的疏忽。量子技术将改变战略环境。真正的问题是:美国将如何应对一个没有能力与之竞争甚至对抗其新能力的拥有量子装备的中国？美国必须提高对这一威胁的认识，强调公开发表的态势声明和向美国国会作证的战略含义。

无数的机构和组织正在研究应用量子物理，但麻省理工学院(MIT)林肯实验室(LL)可能是美国在推进量子传感器能力方面的领导者。正如他们的量子信息科学项目的目标所述，林肯实验室的量子传感器技术专注于那些能力超过经典同类设备的设备。通过新的量子传感器器调整现有能力并增强它们的想法并不新鲜，但非常有价值。美国国家安全的未来取决于政府促进工业、学术界、国防和其他国家实体之间的协作与合作的能力。

为了确保美国的量子未来，必须采取全国范围的措施。这意味着美国也应该显示出这一行动的紧迫性，分配在研发、测试、采购和整合到当前军事力量结构上的支出。一个可以效仿的模式是英国创建的国家量子技术项目，这是一个多学科、多行业的项目，得到资金支持以利用英国的比较优势。如果没有旨在进一步研发的预算优先权，美国将在量子竞赛中进一步落后。

当世界觉醒到各种量子技术在现实世界的应用时，一切都变了。这不是科幻小说。这是真实的，这是一组具有潜在破坏性的技术，我们可以用它来摧毁近处和远处的任何敌人，或者敌人用它来对付我们，结果是一样的。如果不采取行动来确保量子未来，美国就会在这场赢者通吃的致命游戏中屈居第二。

对未来的研究建议

应用量子物理的各个领域都需要研究。以下是应特别关注国家安全问题的建议主题：

量子计算：

1. 量子计算将如何影响军事行动的规划?

2. 如果人工智能技术可以集成到船舶的控制系统中，那么节省下来的工时又如何调整呢?

3. 国防部内部的哪些人类分析任务可以由高性能计算机更好地完成?

量子通信：

1. 当通信可以实现时，潜艇就业将如何改变，同时操作在速度和深度?这将导致潜艇任务的增加还是减少?

2. 要在潜艇和岸上设施之间实现真正的端到端量子通信，还需要哪些额外的基础设施?

3. 尽管量子通信极其安全，但在全球超级大国之间发生冲突时，它的弹性有多大?

4. 由于未来可能会有经典通信和量子通信的混合，哪些应用会从传统方法中获益?换句话说，在量子通信被广泛采用之后，还有什么会保持不变呢?

量子传感器：

1. 量子磁力计的灵敏度是否足以探测到从卫星上部署在海面下工作的潜艇?如果是这样，这将如何改变就业策略?

2. 一旦海军舰载传感器达到精确的量子水平，将获得哪些额外的能力?

3. 量子导航传感器所需的组件能否以可接受的成本小型化到足以安装在导弹上?非卫星依赖导弹系统的后续影响是什么?

4. 地球静止轨道卫星使用的量子成像系统的分辨率是多少?

5. 量子成像的进步能带来什么短程能力?具体来说，美国陆军和海军陆战队如何利用量子传感器技术?

6. 量子传感器将如何影响指挥官的能力，以确保在海军行动中正确作战?

免责声明：本文转自中国指挥与控制学会，作者杜颖。文章内容系作者个人观点，本公众号转载仅为分享、传达不同观点，如有任何异议，欢迎联系我们！

转自丨 中国指挥与控制学会

编辑丨 刘瑾