量子技术是基于量子力学和其他学科交叉产生的新兴学科，涉及计算、信息、导航、能源等多个应用领域。近年来，随着量子技术的快速发展，量子技术已成为研究热点并逐步用于军事领域。量子技术被认为是有潜力改变战争行为和战争结果的新兴技术。
本文介绍了量子技术在多个领域（如网络安全、通信和电子战等）的军事应用。
01 量子技术概述
量子技术是一个基于量子力学特性的新兴物理学和工程领域，尤其是量子纠缠、量子叠加和量子隧道效应等特性，它应用于各量子系统及实际应用。
量子技术主要包括：
·量子计算和模拟
量子计算是指利用量子信息科学进行计算。此类技术包括量子计算机（数字和模拟量子计算机及其应用，如量子系统模拟、量子优化等）；量子模拟器（包括不可编程量子电路）；
·量子通信和密码学
量子通信是指通过使用光纤或自由空间信道的量子网络进行量子信息交换。量子密码学的目标是用具备量子密钥分发能力的抗量子算法取代传统（主要是不对称）加密方案。此类技术包括量子网络与通信（包括量子网络元件、量子密钥分发、量子通信）；后量子密码学（包括量子韧性算法、量子随机数发生器）；
·量子传感和计量
量子传感和计量是最成熟的量子技术领域，它显著提高了计时、传感或成像水平。量子传感代表所有测量各种物理变量（如外部磁场或电场、重力梯度、加速度等）的量子技术。量子传感器可以产生关于电信号、磁异常和用于惯性导航的非常精确的信息。量子成像是利用光子相关性的量子光学的一个分支，能抑制噪声并提高成像物体的分辨率。此类技术包括量子传感（包括量子磁力计、重力仪等）；量子授时（包括精确时间测量和分配）；量子成像（包括量子雷达、低信噪比成像等）。
这些量子技术会显著提高测量能力、精度、计算能力和效率。大多数量子技术都是典型的军民两用技术，在军事上有巨大应用潜力。
02 量子技术的军事应用
量子技术有可能显著影响人类活动的许多领域，包括国防领域。量子技术往往会对现代战争的所有领域产生影响。量子技术在作战中的应用如下图所示。可见，量子技术可应用于战场上的多个方面。由于篇幅所限，下面主要介绍了量子网络安全、量子通信网络、量子电子战、量子PNT以及量子计算方面的可能军事应用。
图1 量子技术在作战中的应用
2.1 量子网络安全
网络战中利用量子技术可以针对当前非对称加密（基于整数因子分解、离散对数或椭圆曲线离散对数问题）以及理论上对对称加密提供新的、非常有效（速度呈指数级增长）的攻击向量，而另一方面也可以利用量子技术提出新的量子韧性加密算法和方法，以及量子密钥分发方法。
（1）量子防御能力
敌方有可能收集加密情报数据并期望未来利用量子计算机的强大能力进行解密，这一风险是真实存在且非常现实的。为了抵抗未来的量子计算攻击，后量子密码技术将是一种可行的选择。后量子密码技术（有时被称为防量子的、量子安全或抵御量子的密码术）就代表了可抵抗未来量子计算机攻击的一个加密技术领域。这适用于军事、情报和政府部门，以及交换或存储秘密数据的行业或学术界。并且，新的量子韧性算法不仅可以提供一种连量子计算机也很难应对的新的数学方法，而且还可以提供一种处理加密数据的新范式。例如，完全同态加密（FHE）使数据永远不会被解密，即使它们正在被处理。尽管医疗记录或金融信息等方面的安全应用是目前提及较多的应用，但明显也能用于情报、军事或政府应用。此外，应该在物联网或军事物联网（IoMT）中实现后量子密码技术，因为这一行业存在许多潜在安全漏洞。
量子密钥分发（QKD）是实现安全加密密钥交换的另一新方法，其安全性已经过数学验证。尽管量子数据（密钥）的量子载体不可能被窃听，但由于硬件或软件实现不完善，端节点和可信中继器处会出现漏洞。QKD解决方案似乎更受欧盟青睐，而后量子加密解决方案在美国受到青睐。
此外，实现量子防御能力还可利用量子随机数发生器（QRNG），它能增加安全性并拒绝对伪随机数发生器的攻击。
（2）量子攻击能力
利用基于秀尔算法的公钥加密量子密码分析（PKE），如Rivest–Shamir–Adleman（RSA）、Diffie-Hellman（DH）、椭圆曲线加密算法（ECC），攻击者可以对之前收集的加密数据进行解密。利用西蒙算法和叠加查询，类似的威胁也可攻击大多数消息认证码（MAC）和有关联数据的认证加密，如HMAC-CBC和AES-GCM。
另一种攻击方式是使用经典计算机的经典黑客方法。总的来说，量子技术是一个技术上还很年轻的领域，大量新的量子系统控制软件正在开发中。新的软件和硬件往往有更多的错误和安全漏洞。例如，当前的QKD量子卫星作为由经典计算机控制的可信中继器会成为网络攻击的理想目标。此外，针对量子网络（例如QKD）的特定物理攻击也是需要积极研究的主题，例如光子数分裂或特洛伊木马攻击。
2.2 量子通信网络
量子互联网包括有各种服务的量子网络，有重大安全意义。但许多先进的量子通信网络应用需要利用量子纠缠，即需要量子中继器和量子交换机。未来这种光纤和自由空间信道的组合将互连各种终端节点，如无人机、飞机、船只、车辆、士兵、指挥中心等。
（1）安全应用
量子密钥分发是最成熟的量子网络应用之一。这项技术将在以后引入国防领域，届时使用MDI-QKD（与测量设备无关的量子密钥分发）或量子中继器的远程通信将成为可能。目前，有使用可信中继器的基本商业技术可用。它们可以作为如何使用量子技术的模型。一方面QKD作为顶级安全技术进行推广，已有越来越多的用例出现，尤其是在金融或医疗领域。但另一方面，许多咨询报告和权力机构则更为谨慎，例如，英国国家网络安全中心在当前状态下不支持QKD用作任何政府或军事用途。
除了只分发密钥的QKD，量子网络也可用于太空、特种部队、空军、海军和陆军资产之间的量子安全直接通信（QSDC）。此时，用量子数据加密的直接消息可利用类似于QKD的安全性。但存在的问题是量子比特速率低，只允许发送简单消息，而不能发送音视频和复杂遥测数据。这种情况下，网络可切换到QKD协议来分发密钥，加密数据则通过经典信道分发。
量子方法在安全方面的另一重要应用是量子数字签名（QDS）。它是经典数字签名的量子力学对应物。QDS能在发送方对消息进行签名后防止篡改消息。
此外，量子安全识别利用量子特征，可在在不展示认证证书的情况下进行识别。而非量子识别基于登录和密码或密钥交换，使得入侵者至少可以猜测谁试图进行身份验证。
基于位置的量子密码技术是另一种安全应用。基于位置的量子密码技术可以提供更安全的通信，其中所访问信息只能从特定地理位置获得，例如只能从特定军事基地与军事卫星通信。当一方的地理位置是其唯一证书时，基于位置的量子密码也可提供安全通信。
（2）技术应用
量子网络还可执行网络时钟同步，这已经是经典数字网络的一个主要主题。时钟同步旨在协调各独立时钟，尤其是协调原子钟（如在全球定位系统中）和本地数字时钟（如在数字计算机中）。使用量子纠缠的量子网络将实现更精确同步，尤其是在使用量子时钟时。精确时钟同步对于C4ISR（指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察）系统之间的协作至关重要，可实现雷达、电子战、指挥中心、武器系统等各种数据和行动的精确同步。
利用量子网络进行分布式量子计算，对拥有量子计算机的军方和政府构建高性能量子计算服务或量子云非常重要。
分布式计算协议量子协议可用于无人机蜂群或一群自主载具（AV）等军事应用中。此时，量子协议可以帮助所有AV在同一时间尺度上达成一致，而与它们的数量无关。然而，所有快速移动AV间的开放空间量子通信将是一个必须首先解决的挑战。最近，无人机量子纠缠分发已成功进行了第一次实验演示。
2.3 量子电子战
量子电子战可分为量子增强经典电子战和侧重于量子信道对抗、反对抗和支援的量子电子战。量子信道是指为量子互联网、量子雷达或其他使用自由空间或光纤通道的量子系统传输携带量子信息的光子的信道。
用于电子支援措施的经典电子战系统可受益于量子天线。基于里德堡原子的量子天线可实现与被测信号波长（频率）无关的小尺寸特性。这意味着，几微米的量子天线就足以截获低频信号（MHz到kHz）。还可采用量子天线阵列用于不同带宽的多频测量，或一部天线根据需求动态改变带宽。此外，基于里德堡原子的天线可以测量调幅和调频信号，提供自校准，测量弱场和超强场或检测到达角。未来，量子天线可能看起来像里德堡原子池阵列（矩阵）。其中不同的原子池可以测量不同信号，两个或多个原子池联合测量可以确定信号到达角。但最困难的问题是将里德堡原子冷却到使其缩小到可接受尺寸所需的低温。
经典电子战也可以从量子计算中受益，能改进射频频谱分析仪，应用量子优化和量子机器学习/人工智能技术提升电子战能力。直接处理和分析来自射频量子传感器的量子数据可以实现更高效能。此外，也正开发其他量子解决方案和方法，例如基于NV（氮空位）中心的射频频谱分析。
当前的电子战系统也将受益于量子授时。量子授时可以增强信号情报、反DRFM（数字射频存储器）和其他需要精确授时的电子战系统能力，例如反雷达干扰能力。
量子电子战还包括信号情报和通信情报（探测、截获、识别、定位）以及量子电子攻击（干扰、欺骗）。量子信道（用于量子通信或量子成像）具有特有特性。首先，在量子信道中，简单信号截获是有问题的，因为量子数据是由单个量子携带，对其进行截获很容易被检测到。其次，典型的量子成像技术使用低信噪比，这意味着在没有额外信息的情况下很难识别信号和噪声。第三，通常用作信号的相干光子其表现像非常聚焦的激光。在不知道一方位置的情况下找到这样的量子信号非常有挑战性。这些特性使得经典电子战不再适宜，因为它“看不到”量子信道。
这一特点甚至对量子电子战系统来说也很难应对，因为它能否探测量子（自由空间）信道的存在也值得怀疑。这将要求开发量子模拟激光告警接收机。对于量子电子战，了解利用量子信道的一方或双方的位置情报至关重要。
经典电子战会截获和窃听信道。然而，对于量子信道来说，它不可能被快速检测。由于早期量子网络的各方可能在身份验证或可信中继器方面存在问题，对量子信道的一种可能攻击是中间人攻击。也考虑了其他类型的量子物理层面攻击。例如，针对量子信道利用相干激光脉冲的光子数分裂攻击或特洛伊木马攻击。然而，这些类型的攻击非常复杂，其实用性（如在太空中）还不确定。
量子电子战攻击更有可能只是一种拒绝服务攻击，即截获量子信道，导致信道停止使用。另一种可能是对一侧或两侧接收机进行复杂干扰，导致庞大噪声。
总的来说，需要开发新方法和手段来满足量子电子战能力需求。
2.4 量子PNT
量子技术有望显著改善定位、导航和授时（PNT）系统，特别是惯性导航，其基础是具有高时间测量精度的量子时钟，这对全球导航卫星系统（GNSS）和授时的发展至关重要。新的量子技术和方法可支持PNT敏感精密仪器的发展。量子PNT技术优势将体现在GPS拒止或挑战性工作环境中，它能实现高精度运行。这种环境包括水下和地下环境以及存在GPS干扰的环境。
（1）全球导航卫星系统量子增强
当前的GNSS（GPS、GLONASS等）依靠各卫星上的多个原子钟提供精确授时。更高精度的量子时钟将提高定位和导航精度。从长远来看，GNSS卫星将连接到量子互联网实现授时分配和时钟同步。采用芯片级移动精确时钟有助于发现GNSS欺骗。
有工作已对一些量子GNSS（不仅仅是量子时钟）开展了研究，例如干涉测量量子定位系统（QPS）。其中一种QPS方式是采用类似传统GNSS的结构：采用3个基线，每个基线由两颗低轨卫星组成，各基线彼此正交。然而，尽管QPS定位的理论精度惊人，但要设计一个现实QPS仍必须进行大量的工程设计。
（2）量子惯性导航
目前的导航大多依赖GPS或GNSS，这是最精确的可用导航技术。但GNSS技术易受干扰、欺骗、或GPS拒止环境（如电磁频谱使用率高的人口稠密地区）的影响。此外，对于地下或水下环境，根本没有GNSS技术可用。解决办法是使用惯性导航系统。经典惯性导航存在的问题是其精度随着时间的推移而降低。而量子惯性导航的精度比经典惯性导航高100倍。例如，典型的潜艇惯性导航误差为每72小时1英里。而在这种情况下，量子惯性导航技术的误差为每月大约数百米。
全量子惯性导航系统由量子3D陀螺仪、加速度计和原子/量子时钟组成，其中最成熟的是六十年代开发的原子钟。这使得量子惯性导航成为最成熟的量子技术之一。随着量子惯性导航设备的尺寸缩小到芯片级，它预期可以部署到更小的载具上，特别是自主无人载具或导弹。
量子惯性导航有很大应用潜力，因为有了量子惯性导航，就不需要GPS、红外或雷达导航，而且它不易受到干扰，且不易受电子战攻击。
（3）其他量子非GNSS导航
多年来，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）一直在绘制地球磁异常图。结合使用地球磁异常图和灵敏量子磁力计是实现量子非GNSS导航的另一种方法。
2.5 量子计算
量子计算将为当前经典计算服务引入新能力，有助于解决高复杂性计算问题。此外，除了量子模拟，量子计算还包括量子优化、机器学习和人工智能（ML/AI）改进、量子数据分析和更快的数值建模。
为了最有效获得结果，未来的量子计算将与经典计算机一起创建一种混合系统，实现计算群。量子-经典混合操作系统将使用机器学习/AI分析待计算任务，并将计算拆分到CPU、GPU、FPGA或量子处理器（QPU）等资源中，最快获得最佳结果。
但由于当前最先进的量子比特设计需要低温冷却，一台小型嵌入式量子计算机是否可放在自主载具或移动指挥中心等中还存疑。因此，更多的工作应该集中在其他量子比特设计上，如可以在室温下工作的光子、自旋或NV中心。嵌入式量子芯片可以执行简单分析任务，或者服务于需要直接处理量子数据的量子网络应用相关简单运算。
量子计算是解决优化问题的有效方法。在军事领域，量子优化可以用于海外作战和部署的后勤、任务规划、兵棋推演、系统验证、新车辆及其隐身或敏捷性等属性设计。量子计算最重要的应用是增强决策能力，为军事行动提供支持，包括预测分析和机器学习/人工智能等。
量子计算机还有望在指挥控制（C2）系统中发挥重要作用。C2系统的作用是分析和呈现态势感知并协助进行规划和监测，包括模拟各种可能场景，为最佳决策提供最佳条件。量子计算机可以改进和加快场景模拟，处理和分析情报、监视和侦察（ISR）大数据，以增强态势感知能力。这一过程也涉及量子增强机器学习和量子传感器和成像。
量子信息处理也可能对ISR或态势感知至关重要。ISR行动将受益于量子计算，量子计算可极大提升ISR系统对信号和图像中的特征进行过滤、解码、关联和识别的能力。量子图像处理是一个被广泛关注和发展的领域。预计在不久的将来，利用神经网络的量子图像分析和模式检测将有助于改进态势感知和理解能力。
量子计算还可增强经典机器学习和人工智能在国防领域的应用。当然，利用量子计算实现完整机器学习过程肯定并不实际。量子计算可以改进机器学习/人工智能手段（例如量子采样、线性代数、量子神经网络）。量子计算可增强大多数经典机器学习/AI国防应用，例如，自动网络作战、态势感知和理解以及自动任务规划。量子机器学习/AI最直接的应用可能是处理量子数据，如量子传感或测量设备产生的数据。量子机器学习/AI的实际适用性将随着量子计算机资源的增长而增长，未来可成为重要的量子计算应用之一。利用经典-量子混合机器学习可加速量子计算的实际应用，可在近期的小型量子设备上应用张量网络模型。
此外，通过完成更快线性代数运算，量子计算有潜力改进目前国防领域基于数值线性方程的数值建模能力，如兵棋推演模拟、雷达截面计算、隐身设计建模等。
目前已知的少数量子计算应用用例之一是洛克希德·马丁公司使用D-Wave系统公司的量子退火机来验证复杂系统软件代码。
03 结 语
量子技术是一个新兴技术领域，它利用对单个量子的操纵和控制来实现多种潜在颠覆性应用，其中许多应用可直接用于军事目的。用于军事应用的量子技术不仅将提供改进和新能力，而且还需要制定新战略、战术和政策，评估对全球和平与安全的威胁。
本文描述了各种量子技术在多个国防领域的可能应用。但无法精确预测量子技术的部署，因为量子技术从实验室到现实世界应用的迁移尚未实现或正在进行。并且，量子技术真正用于军事应用之前仍面临许多挑战。
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