日本政府于2022年12月在内阁会议上通过《国家安全保障战略》、《国家防卫战略》和《防卫力整备计划》三份纲领性指导文件之后，打破了防卫费GDP占比不超过1%的限制，新增的部分资金将用于科技研发。进入2023年以来，日本防卫省十分重视科技的发展，连续出台相关政策。在当前有日媒称2023年是日本“量子计算机启动元年”的背景下，其量子技术在安全保障领域的研发进展，尤其引人注目，值得持续关注。
日本防卫省量子技术发展规划及潜在的应用场景
编译：学术plus高级观察员乔
本文主要内容及关键词
1.日防卫省在《防卫技术指南2023》中对量子技术的远景规划；
2.量子技术潜在的应用场景；
3.2023年度日防卫省的量子攻关课题；
4.结语。
内容主要整理自外文网站相关资料
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01 量子技术远景规划
2023年6月28日，日本防卫省公布了强化日本防卫技术基础的具体方针《防卫技术指南2023》，称在科学技术进展大幅度改变以往战斗形态的情况下，将民间技术和创新纳入防卫装备，同时防卫省的研究开发成果也应积极回馈民间。《防卫技术指南2023》是首个将跨各省研发用于安全保障政策的全面指南；计划在防卫技术发展目标方面，未来5至10年，推进对国家安全至关重要的技术实现武器化和装备化并投入实际应用；从10年以上的长期视角出发，提倡一体化联合发展，集结全国科技和创新力量，在防卫方面实现创新，确保未来技术优势。作为创造未来战斗方式的重要技术领域，防卫省列举了12个领域，包括无人化自动化、新型作战平台、新能源、新材料、新传感器、高性能计算和网络空间防御等，同时列出了分身控制技术、量子传感、量子密码通信技术、广域无线供电技术等具体主题。
《防卫技术指南2023》中称，为了更快获取正确情报，将研究量子传感技术；为了在瞬间处理庞大的信息，将研究量子计算技术；为了获取至今未有的可视化能力，将研究量子照射技术（quantum illumination）；为了搭建在机构内外无论何时何地都能与任何人正确共享情报的网络，将研究量子密码通信技术等。具体内容如下。
（1）更快更准确获取信息的传感能力
获取信息的传感，是进行各种活动的基本能力。更快、更准确地进行传感，可以实现更高效的行动。这种能力在信息领域和认知领域获得优势方面十分重要。
【现场不可缺少的感知】在现场（一般指开展活动时），PNT（Positioning（测位）、Navigation（导航）、Timing（测时））是很重要的。准确的PNT是各种活动的标准。特别是准确的测时，是导致准确定位、准确导航的基本要素，正确测量时间，也会提高现场的各种能力。
【更高精度的传感】正确地感知和掌握活动现场出现的所有要素（人、物、环境等），是进行高效活动的第一步，它将牵涉到状况判断、决策、行动等一系列过程。虽然已经有很多传感的方法，但技术是不断发展的，例如隐形化技术能够改变物理的大小和观测时的大小。根据环境的变化，通过捕捉例如人的呼吸、从车辆排出的气体、从船舶等排出的温水、地球上的基本粒子等以往传感技术无法掌握的微小的环境的变化，也能够高精度地感知各种要素。
【前所未有的传感】随着技术的发展，在活动领域不断扩大的情况下，需要在以往技术无法测量的环境下建立传感技术。例如，从内置在暴露于高温的容器中的传感器感知位于外部的物体的功能；在大范围、宽频带感知肉眼看不见的电磁波的功能等。
【传感信息的应用所需的周边要素】为了通过传感获得高精度、尽可能多的信息（例如基于光的传感结果、基于电波的传感结果等），需要把不同种类的多个传感信息进行融合处理，获取从单一的传感结果中无法获得的信息。因此，对于“现场不可缺少的传感”、“更高精度的传感”、“前所未有的传感”及其周边要素等，需要创造新的技术。实现这一目标的重要技术领域包括：量子传感技术、在以往无法测量的各种环境下（例如高温、高压下等情况）也能够测量的传感技术、把多个传感信息进行融合实现高级传感的传感数据融合技术等。
（2）可用于迅速处理大量信息的计算能力
由于活动场所的信息化、IoT化，需要在活动场所处理至今为止未预想到的庞大信息，但是过量的信息也有可能使现场陷入混乱。为了避免这种情况，需要迅速处理大量信息。为此，除了等待现有计算机的能力提升，还需要创造新的信息处理技术、运算技术等。
【信息处理的数量】当前，各种仪器等观测和获取的信息，超过人力能处理的范围而大量的蓄积，通过大数据的应用，对其进行分析并产生新的价值。另一方面，首先需要收集大量的信息，分析其中有价值的内容来应用。此外，对于通信基础设施如何传输这样的大量信息，也需要进行研究。因此，有必要考虑到其与民生领域大数据应用所不同的特性和制约等，来研究信息处理技术的应用。
【信息处理的速度】在现场有时需要根据最新的情况考虑下一项活动，所以实时得出信息处理结果是非常重要的。当前，能够获取的信息在技术上超出了人力能够处理的范围，为了能够实时地处理多种多样的信息，需要提升处理速度。
【信息处理的质量】为了处理大量信息、获取有用的结果，需要提高信息处理的质量。为此，需要提高用于处理的信息的质量本身，以及综合处理多个信息、提高信息质量的手段。此外，在通信手段等存在限制的情况下，由于个别信息的质量和数量受到限定，所以也需要新创造出能够从较少信息中产生高质量处理结果的手段、以及高效对信息进行综合的手段。因此，为了实现用于瞬间处理庞大信息的计算，需要在“信息处理的数量”、“信息处理的速度”、“信息处理的质量”等方面，创造新的技术。实现该目标的重要技术领域包括：边缘计算技术（不是将大量数据直接发送到网络，而是在传感器附近实施高级数据处理，仅将必要最小限度的数据发送到网络）、量子计算技术（快速处理复杂运算）、超分布式计算技术（不是中央集约型、而是通过把信息处理能力进行分散来加快处理）等。
（3）超越过去的可视化能力
至今为止，防卫省和自卫队通过各种活动和各种资产的应用，能够看到日本及周边的状况，但其范围仅限于雷达等信息收集以及资产的覆盖区域和能够抵达的地方。如果能超越该界限，把迄今为止看不到的范围（例如肉眼不可见的电磁波、人员的决策程序）可视化，即可提升“知彼知己”的能力。
【超越物理上的限制使其可视化】电波、光等信号无法到达的远处等物理上无法捕捉信号的范围，很难实现可视化。如果能将类似由于距离限制而无法看到的内容可视化，就可以进一步扩大活动范围。
【将非物理现象的内容可视化】在社交媒体上流通的信息，与观测仪器等提供的定量信息不同，包含了很多“人的想法”。如果分析这些信息，就有可能看到人们在想什么、在寻求什么。另外，通过分析各种质量的信息，也有可能鉴别基于事实的正确信息、以及不基于事实的错误信息。如果能够把这样非物理现象的内容可视化，就能够基于正确信息进行正确判断，进而能够进一步提高活动质量。
【将无法直接观测到的内容可视化】通过对迄今为止得到的信息进行各种处理和分析，可以间接地发现至今为止看不到的新信息。特别是在信息相关技术高速进化、大量信息以各种形态流通的今天，把以往没有用于安全保障目的的信息作为大数据进行集中和分析，有可能看到至今为止未曾发现的内容。例如，通过分析移动电话的电波来推定人流量的技术已经实用化。从这样的观点来看，在“超越物理制约的可视化”、“不是物理现象的内容的可视化”、“不能直接观测的内容的可视化”等方面，有必要创造新的技术。实现这一目标的重要技术领域包括：量子照射技术（能够探测到至今为止被噪声埋没而无法找到的目标）、基本粒子检测技术（利用其连地球都能穿越的能力），网络信息分析技术（从网络上流动的真伪不明的公开信息中提取正确事实等）、大数据分析技术（应用人工智能等）等。
（4）即时可靠的信息网络通信能力
在现场获取的信息，如果不能作为整体进行准确且迅速共享，就不能高效运用。现在建设的网络连接了必要的人员，但还应该进行扩展，所有的人员都应该能够按需，随时随地、与任何人都能进行可靠的连接。
【高速、大容量、低延迟连接】期待网络的高速、大容量、低延迟。高速、大容量的网络能够传递和共享各种信息。低延迟的网络能够使进行通信的双方无延迟的获取相同信息，无延迟地传递指示，特别是在实现遥控和自动驾驶方面，这是重要的要素。
【安全、可靠的连接】防止通过网络把交换的信息泄露给第三方是非常重要的，更重要的是，传递的信息不会被第三方篡改。因此，需要网络不会向第三方传递信息、不使其接触，实现安全和可靠。
【无论何地都能和需要的人随时联系】需要建立一个不受场地限制、能够与需要的人随时联系的网络。为此，需要能够同时连接多个用户的网络、覆盖广泛范围的网络、能够简单地构筑必要场所所需通信基础设施的网络。从该观点出发，为了实现无论单位内部外部、无论何地都能准确、瞬间共享信息的网络，需要在“高速、大容量、低延迟连接”、“安全、可靠连接”、“无论何地都能与必要的人随时连接”等方面，创造新的技术。实现这一目标的重要技术领域包括：Beyond5G技术（实现高速、低延迟通信）、大容量通信技术（用于应对IoT的进展等产生的大量数据）、量子密码通信技术（用于在确保加密性的同时进行正确通信）、网络抗毁性提升技术（用于实现可靠通信）、通信中继技术（能够在所有场所进行通信）、广域无线供电技术（通过无线传输电力使网络运转）、光通信技术（在通信处理中不进行光电转换而以光的状态进行处理从而能够高速且大容量的通信）等。
02 潜在的应用场景
（1）防卫白皮书中量子技术应用
日本防卫省2023年7月底发布了2023年版《防卫白皮书》，宣布将增加7个重点领域的防卫支出，并在未来5年投入总额43.5万亿日元（约合3222亿美元）的防卫费。日本防卫省在《防卫白皮书》中称，量子技术被定位为通过应用量子力学，给社会带来变革的重要技术。2019年12月，美国国防部咨询机构——美国国防科学委员会将量子密码通信、量子传感器、量子计算机列为有望应用于军事的量子技术。量子密码通信被认为是第三方无法解密的加密通信，在各国都有研究。量子传感器将来除了用于导弹和飞机的追踪用途外，还可能作为更进化的陀螺仪和加速度计使用。量子计算机被认为能够以短时间且超低功耗计算出当前超级计算机中需要花费庞大时间的问题，有望应用于加密解密等领域。
（2）日本智库防卫研究所提到的量子技术应用
日本防卫研究所（The National Institute for Defense Studies，NIDS），是日本防卫省从事政策研究的核心机构，素有“日本兰德公司”之称，主要负责安全保障等方面政策指向的调查研究，此外还承担日本自卫队高级军官的培训等；成立于1952年8月，直属于日本防卫省，驻地在东京，下设企划部、政策研究部、理论研究部、地域研究部、教育部等机构。该所研究员有江浩一曾经发布文章，谈了量子技术在军事上的应用。有江浩一称，近年，围绕量子技术（quantum technology）的争论日益激烈。世界主要国家着眼于量子技术潜在应用的可能性，都在进行巨额投资推进研究开发。量子技术是一项新兴技术，作为将来的基础技术，会在很大程度上改变人们的社会经济活动，还可能对安全保障和军事领域产生深刻影响。有江浩一也从量子密码通信、量子传感器、量子计算机三个方面进行了以下论述。
量子传感器
量子技术中，被认为最接近安全应用的是量子传感器。量子传感器是利用“量子纠缠”等量子特性来测量物理量的超高灵敏度传感器，可应用于雷达等装备。
量子雷达的结构是把处于“量子纠缠”状态的一对光子中的一个从雷达射出，待其被目标反射后、检测与另一个光子的相关关系，以测量与目标的距离等。但是，在开发可实用的量子雷达的方面，还有着很多课题，例如在雷达工作时难以维持“量子纠缠”状态。因此，也有观点对量子雷达的应用上持怀疑态度。
而在定位、导航、授时（PNT）方面使用量子传感器，可以不依赖于来自GPS卫星等外部的PNT信号，从而实现高精度的自身位置测定和导航。例如对潜航中的潜艇来说，这样的量子传感器是非常有效的导航手段。另，如果将搭载量子传感器作为军用GPS的备份，即使GPS卫星受到网络攻击和电子干扰、功能不全，也可以利用量子传感器进行精确导航。
此外，还可期待通过量子传感器提升信息收集/监视/侦察（ISR）能力。例如，如果使用量子传感器，探测搭载核导弹的战略核潜艇（SSBN）的能力可能会被大幅度改善。因为量子传感器可以测量由潜航中的SSBN所引起的磁场和重力等的变化。但目前这种量子传感器的开发还处于不成熟阶段。
量子计算机
利用量子特性的新型计算系统的可能性虽然很早就被提及，但实际上量子计算机的概念是在1980年首次提出的。同年，美国物理学家保罗·贝尼奥夫（Paul Benioff）发表论文，从理论上表明量子计算机是可实现的。1994年，美国的应用数学家彼得·肖尔（Peter Shor）利用了被称为“肖尔算法”（Shor’s algorism）的量子特性的算法。如果使用该算法的量子计算机实用化，那么，当前普通加密系统——RSA密码（公钥密码）就有被解密的可能性，因此，大众对量子计算机的兴趣迅速提高。后来经过各种研发，现在美国谷歌公司和IBM公司等，都成功开发了数十量子比特的量子计算机。
而作为安全方面的应用，大多指的就是“量子攻击”（quantum attack）。它是指利用量子计算机的密码解读能力，从对手以RSA密码为基础的通信网络中窃取重要信息。但实际上，破解RSA密码需要2000万量子比特的量子计算机，预计最早将在2030年到2040年左右实现。
量子通信
量子通信能够避免因监听和网络攻击而导致信息泄漏，作为下一代通信技术广受瞩目。作为利用量子特性对信息进行加密的方式，量子密钥配送（QKD）比较为人熟知。据悉，量子密钥配送在用于美军执行任务时，目前还没有达到足够保密性。如果达到可实用的水平时，也会逐步用于舰机间的无线通信、地面的司令部设施和海军·空军基地等固定设施之间的光纤通信中。但由于量子特性容易崩塌，所以，经由自由空间的量子无线通信在传输路径上也存在着难点，例如被限定在没有障碍物的视线范围内等。也有观点认为，在与SSBN的通信中导入量子密码技术，可能会实现无法监听的加密通信。关于这一点，就必须要解决在海中传输时如何保持量子特性这一困难课题。
有江浩一称，除上述内容外，量子技术今后还有可能应用于军事和战争的各种领域；有预测认为，其结果是可能会出现被称为“量子战”（quantum warfare）的战斗形态。但是，由于量子技术还在发展中，面向实用化的课题还没有被解决，所以现在就其对军事的影响应该避免过高评价。今后将继续关注量子技术的发展动向和军事应用的研究，加深考察量子技术对国家安全保障的影响。
03 日防卫省的量子攻关课题
2023年1月26日，日本防卫省在2023年度防卫省量子技术相关政策的文件中称，量子技术是在安全保障方面的重要技术，隐藏着巨大的改变将来战斗方式的可能性；防卫省将根据迄今为止的调查分析，从2023年度开始着手研究量子技术适用于装备等的研究，今后还将根据日本的国家安全保障战略，实施有助于推进民间创新和成果使用的措施。2023年度其主要量子技术具体攻关课题如下。
量子噪声流密码（Y-00协议）应用于RF无线通信：针对在民间企业和大学中正在进行研究的、将物理层通信数据加密化的技术——量子噪声流密码（Y-00协议），自卫队将实施关于适用于各种无线通信的可能性的研究。在民间，目前基于Y-00协议的密码通信技术以有线通信（光纤）的研究开发为主流，因此，防卫省的目标是将该技术应用于无线通信。
模拟量子计算机对舰艇各种系统最优化控制和计划制定的研究：在阵形配置、警戒监视中的航线设定等高效运用舰艇的基础上，应用模拟量子计算机技术，实施研究，以高速获得最佳解的计算方法和作为硬件的适用性；并探讨将来量子计算机适用于其他装备和其他用途的可能性。模拟量子计算机的特点是：对空战、反潜战等情况下僚舰的最优配置，警戒监视中的航线设定，火力发挥功能的最优化等。
04 结语
据日媒近期报道，日本政府出台新的跨省厅框架，以加强综合防卫力量，将旨在用于民生的尖端技术研究运用于防卫技术开发；该框架计划从2024年度起实施。防卫省将高端人工智能（AI）以及机械的无人、自主化等领域指定为“重要技术课题”，其还包括新能源、高精度定位、采用量子等技术进行计算处理、大容量通信、网络对策、新材料、高超音速飞行等。正在开展相应研究的省厅，将在综合科学技术与创新会议（CSTI）秘书处的协助下，与防卫省进行协商，力争将成果运用于防卫省的研发。
参考链接：
[1]https://www.mod.go.jp/j/policy/defense/technology_guideline/pdf/technology_guideline.pdf
[2]https://www.mod.go.jp/j/press/wp/wp2023/pdf/R05zenpen.pdf
[3]http://www.nids.mod.go.jp/publication/briefing/pdf/2021/202112.pdf
[4]https://www8.cao.go.jp/cstp/ryoshigijutsu/13kai/siryo2-6.pdf
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