论第二次量子革命的发展

自100多年前量子力学创立以来，通过对量子行为统计性的研究，催生了包括核裂变、激光、半导体在内的众多技术产品，对人类生活以及战争样式产生了重大的影响，被称为由量子力学引发的第一次技术革命。近年来，随着量子技术的进一步发展，各国开始广泛研究包括电子、原子、原子核、分子、准粒子等单个量子系统的行为，人类很可能会由此进入第二次量子革命时代。  

论第二次量子革命的发展     

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总体概况

第二次量子技术革命将充分利用量子特性——分子、原子甚至更小粒子的相互作用，加速在不同领域的实际应用。此次技术革命将利用量子物理学的特性来实现新功能，帮助将电子产品的性能以超越摩尔定律的速度提升。此外，量子技术可大幅提升传统技术可实现的功能，如灵敏度、准确性、速度或易用性等方面（在某些情况下会有几个数量级的提升）。由此，量子技术可能会成为纳米、生物、信息和神经等其他技术的加速器，大大提升计算、通信、密码学、导航和感知能力。针对战争范畴，量子科学将确保强大的传感器和射手网络能够在虚拟和物理域加速探测、评估、瞄准和打击流程，提高杀伤链运转速度，以获取战场优势。

“量子战争”概念图

根据北约评估，目前以美国等国为代表的军事强国都将量子技术作为长期国防规划的前沿领域，在技术不断迭代的情况下，很可能将对现有战争样式产生颠覆性改变。

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基本赋能样式

从应用赋能角度，可将第二次量子革命技术分为量子计算、量子网络/通信以及量子传感、成像几大类。

2.1 量子计算

量子计算是一种新型计算模式，受量子力学规律调控，基于量子信息单元完成计算，显著区别于传统计算模式。基于量子纠缠态计算建立的计算机被称为量子计算机，典型代表包括可编程量子计算机、量子退火器（一种不完美的绝热计算）和量子模拟器。量子计算机的硬件基于纠缠态光量子的生成和湮灭，遵循量子计算理论，处理和计算的不再是简单电平信号而是量子信息，运行的基本逻辑也不再是简单的与或非门电路，而是量子算法，可提供比经典计算机更大的计算优势。该技术距离实际应用至少还需10年时间，在可预测范围内不会全面取代经典计算机。

2.2 量子网络/通信

量子网络/通信是通过光纤线路或太空空间通信等各种渠道传输量子信息（量子比特）。第一代量子网络中唯一的实际应用是量子密钥分发（QKD）。QKD与传统的非对称加密（也称为公钥加密）相比的一个显著优势是，任何拦截或窃听尝试都会立即被发现。QKD在商业上可与光纤一起使用，商用QKD服务可能将在未来两到五年内推出。注意，QKD通常被认为是不可破解的，但这仅适用于正确实施的量子信息传输途径上，而由经典计算机控制的端点将仍然是进攻性网络行动的目标。

下一代量子网络，被称为量子信息网络（QIN）或量子互联网，其分发纠缠量子比特的能力有所不同。QIN将提供更多与安全相关的服务，如安全识别、位置验证和分布式量子计算。相关技术应用也将推动高精度的时钟同步和联网的量子传感器的发展。量子互联网实现的最大障碍是缺少可靠的量子存储器来存储量子信息，难以找到可靠地存储也就难以实现在多个中间节点的网络上实施同步和分发。量子互联网预计将在2030年后才能逐步应用。

2.3 量子传感

量子传感旨在更精确地测量各种物理变量，如磁场或电场、重力梯度、加速度和时间。加强化的时间测量可用于获取更精确的时钟（许多当前技术使用）、量子惯性导航、地下和海底探测、更有效的射频通信等领域。量子传感是目前发展最成熟的量子技术（平均最高TRL），但目前部署的传感器的有效性仍具备很大的不确定性。此外，在军事应用上往往需要具有低SWaP（尺寸、重量和功率）的便携式或移动解决方案。同时，量子传感器的空间分辨率需要提高，这通常与灵敏度成反比。例如，使用高精度的量子传感器实现从太空探测潜艇这种功能是不可能的，因为高空间分辨率通常将导致灵敏度不足。另一方面，一些量子传感器实用化发展迅速，如量子导航中的传感器，预计将在未来五年内做到能够在相关领域环境中进行测试。

2.4 量子成像

量子成像是量子光学的一个子领域，与量子传感器（测量一些外部量）相比，它往往是有源体制（即，发射一些信号，需要检测其反射信号）。信噪比（SNR）代表传感器灵敏度的基本极限。然而，使用量子纠缠可以获取更高的SNR，因为在没有纠缠相关先验知识的情况下，信号本身可能在背景噪声中无法被识别。量子成像可以改进现有技术，如量子雷达、三维相机、角落摄像头、气体泄漏摄像头和低能见度视觉设备。

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国防应用分析

历史无数次证明，国防建设往往会成为新兴技术创新的最大驱动力。目前，尽管各国在量子技术上投入巨大，但现有能力仍处于实验室阶段，技术成熟度较低。在未来作战中，量子技术可能在以下应用领域崭露头角。

3.1 量子通信应用

自由空间量子通信将是未来量子互联网的一个重要抓手，越来越多的量子通信资产将被部署在空天领域。但作为军事或政府卫星通信服务的一部分，其发展需要新的基础设施和更多的投资。此外，目前的产品性能对于实际应用来说太低，量子网络的低密度使其非常脆弱。空天领域的量子通信系统目前还是主要用于研究和开发、概念验证演示以及实验性应用，且更多的是商业应用。从未来发展看，随着量子存储器的可靠性不断提升，以及高速量子光学的进一步发展，2030年后可能会在太空中广泛部署的量子物联网。此外，与抗量子密码学（PQC）高度相关的量子密码学也将成为量子通信的关键能力——PQC仅通过软件的升级便能实现，这意味着更短的部署时间，并能够依托现有的经典网络进行应用。

3.2 量子情监侦（ISR）应用

量子技术可广泛赋能各种空天感知和成像系统，也可显著改进现有ISR能力。将量子ISR能力与传统能力相融合，可以利用两者的优势并抵消两者的缺点，从而开创ISR的新纪元。然而，充分实现这些可能性将取决于量子计算和通信的发展程度。

以量子成像系统为例，该系统可以进一步发挥情报、监视、目标捕获和侦察的作用，涵盖远/近距离、有源/无源状态下的全天候、昼夜战术感知和隐身探测模式。此类系统可以作为低光或低信噪比的视觉设备，在有云、雾、灰尘、烟雾和丛林树叶的环境中或在夜间工作。典型应用可帮助直升机飞行员在多尘、多雾或烟雾环境中着陆。

3.3 量子磁传感器和重力传感器

量子磁传感器检测磁场，可精准探测局部磁场异常或微弱的生物磁信号，目前这类系统正处于开发阶段，用于探测产生局部磁异常的金属物体，如地雷、简易爆炸装置、潜艇、伪装车辆等。此外，量子磁传感器也可以作为水下导航的替代方法。量子重力传感器正在开发地下监视系统，测试探测地下结构能力，如洞穴、隧道、掩体、研究设施或导弹发射井。这两种传感器都可以部署在近地轨道的机载系统或太空资产上。

3.4 量子射频接收机

量子射频接收机能够提升探测性能，例如更宽的频带、更好的SNR、更小的尺寸、更好的到达角检测性，且具备自校准能力，不存在因金属部件产生的额外噪声，其光学状态下的输出将实现更快的信号处理和强弱场的测量能力。在国防应用中，量子射频接收机可以接收低截获概率/低探测概率（LPI/LPD）通信和超视距射频信号，能够满足抗射频干扰和干扰、射频测向和太赫兹频率成像的技术需求。未来，量子射频接收机具有成为5G和物联网标准射频接收机的潜力，有助于在提升己方通信效能的同时，强化对敌方信号的检测能力，并可对现有射频设备进行高效校准。

3.5 量子导航应用

量子惯性导航与经典惯性导航类似，但使用的是量子传感器。量子惯导零件正在实验室和相关环境中进行测试，并已展示出了足以用于军事用途的稳定性。然而，创建一个完整的量子惯性测量单元仍然具有挑战性。针对此技术的一般预期是其导航精度将达到每月仅几百米的漂移速度，而当前海上惯性导航传统设备（军用船舶和潜艇）的漂移速度为1.8公里/天，量子技术将展现出极佳优势。第一批可能的用户是对SWaP指标限制最小的潜艇。随着时间的推移，有可能会实现量子导航系统的进一步小型化，可在飞机、无人机和导弹广泛部署。

3.6 量子计算应用

在军事领域，量子计算在机器学习、人工智能、飞行器设计、虚拟系统等方面都展现出了极大的应用潜力，将有望对ISR信息处理、战场指挥控制等领域的能力升级起到推动作用。

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结语

从长远来看，量子技术在从传感到通信再到计算的广泛应用中具有巨大的前景。在可预见的未来，量子技术可能不会在短时间内就彻底改变国防装备。举例而言，量子传感器的成熟可能需要3-10年时间，量子通信则需5-10年，而量子计算甚至可能在10至20年内都难以达到理想状态。此外，尽管量子技术的原理在实验室中获得了巨大的成果，但从实验室至实际应用的转化还存在很多问题，比如低SWaP、机动性以及制造成本，这些都是现实不可忽视的重大瓶颈，需对其进一步研究和思考。

（全文完） 

审核编辑 ：李倩