量子技術(shù)及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

楊 揚(yáng) 馮 林 趙文元 高興隆

以量子衛(wèi)星、量子雷達(dá)、量子計(jì)算機(jī)、量子定位系統(tǒng)為代表的高精尖量子軍事武器裝備技術(shù)已經(jīng)獲得了突破性發(fā)展，使得量子技術(shù)在軍工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了全球新軍事變革和戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)變化，受到了世界各國(guó)的高度重視，現(xiàn)已成為世界大國(guó)的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。例如，2018年歐盟聚集了來自歐洲內(nèi)外共32個(gè)國(guó)家的政府部門、科學(xué)界以及產(chǎn)業(yè)界的利益相關(guān)方，制定了總值超過十億歐元的國(guó)際量子旗艦計(jì)劃（EU Quantum Flagship）。

量子技術(shù)的核心內(nèi)容

以量子通信、量子計(jì)算、量子定位和量子傳感為代表的量子技術(shù)正處于高速發(fā)展中，但就其在軍事領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用而言，其進(jìn)展水平并不平衡。量子計(jì)算的進(jìn)展主要由經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)，在未來帶來突破傳統(tǒng)計(jì)算理論限制的先進(jìn)計(jì)算能力。而量子通信、量子傳感和量子定位技術(shù)的進(jìn)展則主要是由國(guó)防安全推動(dòng)，將大大提高各式軍事指揮系統(tǒng)保密性和抗干擾能力，給未來戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)帶來顛覆性變化。但考慮到推動(dòng)量子技術(shù)發(fā)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(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將主要來源于同等規(guī)模的競(jìng)爭(zhēng)者。

量子通信是被嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明的絕對(duì)安全的通信方式。在信息化作戰(zhàn)條件下，依托衛(wèi)星發(fā)射的無線通信技術(shù)已經(jīng)無所不在，有效安全可靠的信號(hào)傳遞堪稱關(guān)鍵，而量子通信技術(shù)就正好能夠在這一領(lǐng)域中大顯身手。量子通信技術(shù)主要是運(yùn)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(jìn)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(cè)前，糾纏量子的偏振態(tài)處在這二個(gè)方面的疊加狀態(tài)，因而是不確定的。也只有在其中一條光子偏振方位被檢測(cè)時(shí)，無關(guān)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(duì)應(yīng)的偏振方位。

量子計(jì)算是對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的顛覆。目前的科學(xué)研究與實(shí)踐已經(jīng)證明了，在部分重大問題的計(jì)算中，量子計(jì)算的速率較傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)成指數(shù)級(jí)增加。尤其是針對(duì)軍事領(lǐng)域中關(guān)鍵的解密問題上，在現(xiàn)代經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)上，運(yùn)行時(shí)所需計(jì)算次數(shù)隨著輸入量的增加成指數(shù)級(jí)增加，意味著這個(gè)問題在經(jīng)典物理學(xué)的研究范疇內(nèi)從根本上不可能得以克服。而量子計(jì)算利用量子態(tài)疊加原理和量子糾纏特性，具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法比擬的高速處理、高保密存儲(chǔ)量子信息及并行計(jì)算等功能優(yōu)勢(shì)，是滿足未來戰(zhàn)爭(zhēng)需要的新一代高性能計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算能夠滿足海量信息存儲(chǔ)與處理、武器裝備研制、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)分析與數(shù)據(jù)傳輸、信息安全、重大科學(xué)問題研究對(duì)計(jì)算速度的現(xiàn)實(shí)需求，為軍事復(fù)雜問題提供高效解決方案。

量子定位突破經(jīng)典無線電導(dǎo)航體制。2020年4月，在由美國(guó)政府AFCEA組織與喬治梅森學(xué)校共同組織的線上活動(dòng)中，美國(guó)防部軍事科研和工程部的負(fù)責(zé)人馬克·劉易斯認(rèn)為，在量子科學(xué)中最有可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用將是“完成位置、航行和計(jì)數(shù)，作為取代GPS操作系統(tǒng)的選擇”。隨著近年來量子信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各種研究成果也逐步出現(xiàn)。目前量子定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑大致有以下4個(gè)：一是把量子信息技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)加以融合；二是脈沖式量子定位系統(tǒng)；三是“量子羅盤”，即使用地磁性的亞原子效應(yīng)再加上自動(dòng)定位；四是量子慣性引導(dǎo)。量子定位技術(shù)使用的是具備量子特點(diǎn)的光子脈沖，能夠突破傳統(tǒng)經(jīng)典無線電GPS定位體系中的位置精確度限制，實(shí)現(xiàn)極高的位置精確度，并且還內(nèi)含密碼技術(shù)能力，在安全性等方面具備一定優(yōu)越性，可提升軍用電子設(shè)備在GPS拒止環(huán)境條件下的航行力量，將對(duì)軍用航海領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

量子力學(xué)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(dá)是基于量子力學(xué)基本原理，主要依靠收發(fā)量子信號(hào)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)的一種新型雷達(dá)。量子信息技術(shù)均存在一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以通過與經(jīng)典雷達(dá)相結(jié)合，提高雷達(dá)科技對(duì)總體目標(biāo)的測(cè)量性能，從而提升定距、觀察角分辨率和圖像清晰度，同時(shí)增強(qiáng)了雷達(dá)的抗干擾能力和防欺詐能力，從而能夠很好克服傳統(tǒng)經(jīng)典雷達(dá)在偵察、測(cè)量和圖像形成方面的難題。通過量子統(tǒng)計(jì)能夠給軍用復(fù)雜性問題帶來有效突破技術(shù)瓶頸的可能。因此，量子雷達(dá)也因其優(yōu)異的電子對(duì)抗特性，受到世界主要大國(guó)的高度重視。

量子技術(shù)的軍事應(yīng)用

量子糾纏原理示意圖

量子通信保證了通信的絕對(duì)安全。量子通信是利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式，基于量子力學(xué)中的不確定性、測(cè)量坍縮和不可克隆三大原理提供了無法被竊聽和被計(jì)算破解的絕對(duì)安全性保證。量子密碼系統(tǒng)是運(yùn)用物理學(xué)原理保密信息，量子自身的特性也決定了量子通信的整個(gè)過程都是無條件安全的。未來戰(zhàn)爭(zhēng)中沒有嚴(yán)格的前線后方的區(qū)分，而利用特定的量子通信、量子密鑰系統(tǒng)等信息技術(shù)，就能夠形成安全可靠的全新軍事通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可在武器裝備、敵我辨識(shí)、鎖定攻擊目標(biāo)等方面形成一體化作戰(zhàn)模式，幫助指揮員把握戰(zhàn)爭(zhēng)全局并作出恰當(dāng)決定。比如，當(dāng)某個(gè)方向敵人對(duì)敵進(jìn)攻時(shí)，在各兵種間通過量子信息組網(wǎng)之后，信息的傳遞可靠性也就有所保證，同時(shí)還可以提高部隊(duì)行動(dòng)協(xié)調(diào)性，從而更好地發(fā)揮聯(lián)合作戰(zhàn)能力，對(duì)敵人進(jìn)行迅速有效的攻擊。目前已有大量相關(guān)試驗(yàn)得到證明，量子通信技術(shù)的隱蔽性也將有助于提高水下的綜合對(duì)抗實(shí)力，從理論來說能夠較好地運(yùn)用于深海和遠(yuǎn)洋的通信。如果水下通訊問題得以破解，將會(huì)極大改善海洋的對(duì)抗樣式能力，“海狼群”將變成現(xiàn)實(shí)，航空母艦戰(zhàn)斗群或?qū)⑹艿街卮笸亍?/p>

量子羅盤示意圖

量子雷達(dá)技術(shù)顛覆傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)。傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)具有電磁泄露強(qiáng)，功耗大，體積大，成像能力微弱，機(jī)動(dòng)性較差等缺陷。而伴隨著現(xiàn)代隱形技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)雷達(dá)反隱身能力較弱的缺陷也越來越突出。而現(xiàn)代量子雷達(dá)利用量子力學(xué)基本原理，能夠很好解決傳統(tǒng)雷達(dá)的種種缺陷。量子雷達(dá)只使用數(shù)量相對(duì)較少的光量子對(duì)總體目標(biāo)實(shí)施偵察，使用的就是光量子的粒子特點(diǎn)。隱身戰(zhàn)斗機(jī)可以截取常規(guī)雷達(dá)所發(fā)的信息，并重新發(fā)送一只鳥的虛假信號(hào)作為雷達(dá)回波，這就掩蓋了位置。而按照測(cè)不準(zhǔn)基本原理，截獲了量子雷達(dá)所發(fā)射光子使得光子原有的量子特點(diǎn)被完全摧毀，同時(shí)光子具備不能再現(xiàn)的特點(diǎn)，致使隱身戰(zhàn)斗機(jī)所無法隱藏位置。

量子計(jì)算機(jī)為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)提供海量計(jì)算。量子計(jì)算可以有效解決高性能、大數(shù)據(jù)計(jì)算問題，加快導(dǎo)彈攻防系統(tǒng)、大型?？兆鲬?zhàn)武器平臺(tái)、軍事航天裝備等復(fù)雜武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)進(jìn)程，大幅提升武器裝備研發(fā)效率，有效支撐先進(jìn)武器裝備研制需求。同時(shí)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要數(shù)百年完成的運(yùn)算量，量子計(jì)算機(jī)只需不到幾分鐘的時(shí)間就能完成，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使現(xiàn)有RSA公開密鑰體系的保密性受到重大挑戰(zhàn)。或者可以說在量子計(jì)算機(jī)面前，傳統(tǒng)密鑰體系將難以發(fā)揮作用。如此看來，只有采用了量子力學(xué)基本原理的量子密碼體系才能對(duì)抗量子計(jì)算機(jī)的海量計(jì)算。

量子定位系統(tǒng)提升了武器裝備的生存能力。量子定位系統(tǒng)采用量子效應(yīng)與微加工技術(shù)開發(fā)的慣性導(dǎo)航體系，不需與外部信號(hào)聯(lián)系而進(jìn)行導(dǎo)航，從而減少了被敵人發(fā)覺、擊落或俘獲的幾率。同時(shí)量子定位系統(tǒng)具備精度高、體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，滿足了對(duì)武器裝備智能導(dǎo)航的要求，可以減少制導(dǎo)體系載荷耗費(fèi)，提升武器裝備安全性和戰(zhàn)斗質(zhì)效，可用作預(yù)警機(jī)、潛航、無人駕駛直升機(jī)等的引導(dǎo)或精確測(cè)量手段，也可以作為精確制導(dǎo)或單兵戰(zhàn)斗，以提高其攻擊力。因此，將量子羅盤技術(shù)廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略核潛艇，可使其降低對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，進(jìn)行量子精確定位，為發(fā)射導(dǎo)彈與深海潛行服務(wù)。將量子導(dǎo)航技術(shù)廣泛地運(yùn)用于宇宙飛船、深空探測(cè)器等領(lǐng)域，其自主航行將更為靈活、安全。

量子衛(wèi)星具有保密通信技術(shù)，可防止間諜竊聽及破解，抗衡外國(guó)網(wǎng)絡(luò)攻擊

量子技術(shù)的顛覆意義

近年來，技術(shù)革新的滲透性、擴(kuò)散性、顛覆性特點(diǎn)日益深入地影響人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的生產(chǎn)生活方式，進(jìn)而加速世界新軍事變革與戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)演變。以量子技術(shù)為代表的顛覆性技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用也將成為世界軍事領(lǐng)域發(fā)展的主要推動(dòng)力。因此，在國(guó)防軍事領(lǐng)域，深入研究顛覆性技術(shù)引起軍事變革的內(nèi)部機(jī)制，并在更深層次上發(fā)現(xiàn)顛覆性技術(shù)和軍事變革之間彼此聯(lián)系、相互影響的底層邏輯，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

量子技術(shù)的發(fā)展需要更多時(shí)間才能完全發(fā)揮在國(guó)防軍事領(lǐng)域的顛覆作用。實(shí)際上，量子技術(shù)并不是一個(gè)單一的個(gè)體，而是科技創(chuàng)新中的有機(jī)組成部分。新興技術(shù)與顛覆性技術(shù)的融合更易于在軍事領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。例如，將大數(shù)據(jù)與量子技術(shù)融合，利用量子傳感器增強(qiáng)信息傳輸?shù)陌踩耘c海量計(jì)算的能力，進(jìn)一步強(qiáng)化聯(lián)合作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力。同時(shí)大數(shù)據(jù)分析、人工智能、高超聲速等領(lǐng)域的科技創(chuàng)新也具備顛覆性特點(diǎn)，將在未來對(duì)軍事力量發(fā)展形成重大或變革性影響，利用科技融合的方式更容易對(duì)軍事力量發(fā)展產(chǎn)生顛覆性影響。

從投資方向來看，近10年來世界主要國(guó)家間的科技創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)快速進(jìn)入白熱化狀態(tài)。各主要大國(guó)都把科學(xué)技術(shù)作為本輪戰(zhàn)略博弈的核心，把物理空間和虛擬空間作為新質(zhì)戰(zhàn)場(chǎng)，全力爭(zhēng)取前沿核心科技領(lǐng)域的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)控制權(quán)。特別是國(guó)防軍事領(lǐng)域的科技創(chuàng)新事關(guān)國(guó)家安全這一底線，以量子技術(shù)為代表的顛覆性技術(shù)具有顛覆性特征，能夠催生帶動(dòng)各領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的融合發(fā)展和跨越式發(fā)展，值得高度重視。