顛覆未來作戰的前沿技術系列之量子信息技術

陳 興

顛覆未來作戰的前沿技術系列之量子信息技術

陳 興

科學家預測：在21世紀，信息科學將從經典時代跨越到量子時代。量子信息技術是量子物理與信息技術相結合的戰略性前沿科技，因其建構于顛覆性的堪比相對論的基礎理論—量子物理之上，從而極富神秘氣質，主要包括量子通信、量子計算、量子探測等領域。量子信息技術在確保信息安全、提高運算速度和探測精度等方面具有顛覆性的影響，是目前最引人矚目的前沿技術領域之一。正如相對論造就了核動力與核武器，量子信息技術造就的量子計算機、量子通信、量子雷達等，勢必在未來重新涂抹戰爭的面孔。

超強能力—量子計算

傳統的二進制計算技術以“0”和“1”為基礎，進行二進制計算和邏輯判斷，因此普通計算機中只存在兩種狀態。量子計算是利用量子態的相干疊加性進行編碼、存儲和計算的一種新興計算技術，基本信息單位是量子比特。在信息長度都為N時，量子位的存貯容量是傳統信息位的2N倍，量子計算速度是傳統計算速度的2N倍。從理論上講，一個250量子比特（由250個原子構成）的存儲器，可以存儲的數目達2250，比現有已知宇宙中的全部原子數目還多。

量子計算機是存儲及處理量子信息、運行量子算法的裝置，突出優點是存儲能力強、運算速度快。傳統計算機采用單路串行操作，而量子計算機采用多路并行操作，它們運算速度的差異，就如同萬只蝸牛排隊過獨木橋與萬只飛鳥同時升上天空的區別。

當前，量子計算研究受到了全世界的關注，世界主要軍事國家正在以巨大的熱情追尋著它。美國為推進量子計算芯片研究，啟動了“微型曼哈頓”計劃，這表明美國對量子計算的重視程度不亞于核武器。日本和歐洲也啟動了類似計劃。2014年1月，斯諾登披露美國國家安全局正在研制能破譯多種密碼的量子計算機，代號為“攻克難關”和“掌握網絡”兩個秘密項目。

迄今為止，世界上還沒有嚴格意義上的量子計算機，但量子計算已經取得了多項重要進展。2011年5月11日，加拿大D-Wave公司發布了號稱“全球第一款商用型量子計算機”的計算設備D-WaveⅠ；2013年10月，以全新超導處理器為基礎的512量子比特D-Wave Ⅱ商用型量子計算機通過測試，開始服務于美國國家航空航天局的量子人工智能實驗室，極大提高了運算速度。

如何產生出高純度的硅晶體，一直是量子計算的重要問題。2014年，美國宣布研制出了世界上純度最高的硅晶體，硅28的含量為99.9999%，解決了量子高速運算的關鍵問題。

在軍事應用方面，量子計算具有廣闊的前景：一是運用量子計算快速破譯現有密碼體系，對現有的以數學為基礎的密鑰體系形成整體顛覆，從而掌握信息主動權。破譯現有密碼體系，經典計算需要1000年，而量子計算只需花不到4分鐘。因而有科學家宣稱：“沒有量子計算機的國家與擁有它的國家進行戰爭，就像一個瞎子和一個明眼人打架。”二是運用量子計算可以對海量情報數據進行實時分析處理，進一步提升作戰評估與決策能力。三是運用量子計算可以有效解決高性能、大數據計算問題，可加快導彈攻防系統、新一代空海作戰平臺、軍用航天裝備等復雜武器系統的設計和試驗進程，縮短建模仿真時間，有效提升武器裝備的研發效率。

跨越時空—量子通信

量子通信是利用量子力學基本原理或量子特性進行信息傳輸的一種新型通信技術，主要包括量子密鑰傳輸和量子隱形傳態兩種技術。

量子密鑰傳輸 量子計算顛覆了傳統密碼，但是同時量子信息提供了一個傳輸守護神，即一種理論上無法破解的密碼—量子密碼。量子密碼利用量子態不可復制的特點，解決了密鑰傳輸的安全問題。其具體原理是，甲方利用量子通信把密鑰發送給乙方；如果在甲乙雙方傳送密鑰的過程中，有竊聽者丙方企圖經由探測竊取密鑰，必定會破壞粒子的量子態，從而產生誤碼；甲乙雙方通過抽樣對比就可以確認該密鑰是否被竊聽過；當證實密鑰未被竊聽后，再用這個密鑰通過實施“一次一密”進行加密。量子密鑰從理論上提供了一種不可竊聽、不可破譯的絕對安全的密碼體制。因此，量子密碼具有絕對安全性，它在軍事上擁有廣闊前景。由于量子密碼具有不可破譯和竊聽可知性，且量子加密設備可與現在的光纖通信設備融合，因此可以用來改進目前軍用光網的信息傳輸保密性，從而提高信息保護和信息對抗能力。

近期，量子密鑰領域取得了一系列重大進展，技術日益成熟，已有部分實際應用，但傳輸距離依然受限。2007年，由奧地利、英國、德國等組成的聯合小組創造了144千米的量子密鑰通信距離紀錄；2013年4月，德國研究人員采用激光束發射系統，實現了空地量子密鑰傳輸，試驗中密鑰傳輸速率為145量子比特/秒，通信鏈路持續時間8分鐘，誤碼率僅4.5%。

量子隱形傳態 真正意義上的量子通信是利用量子信道傳送量子信息，主要依靠量子隱形傳態方式實現。量子隱形傳態是以量子態作為信息載體，利用量子糾纏效應，使量子態從一個地方傳至另一個地方。

商用型量子計算機D-Wave

現實生活中，兩個相距遙遠的陌生人不約而同地想做同一件事，這種神奇現象可謂“心靈感應”。與此類似，所謂“量子糾纏”，是指在微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關系，不管它們距離多遠，只要一個粒子狀態發生變化，另一個粒子狀態也會隨即發生相應變化。量子隱形傳態的基本原理是，將由一個源產生的兩個相互糾纏的粒子分發到通信雙方，其中一方對粒子做量子態測量，在該粒子的量子態確定的同時，通信另一方的粒子會產生感應，量子態立刻變為被測量粒子的量子態，實現信息傳輸。

量子通信有著不可思議的優勢。首先，信息在兩位通話者之間的傳輸根本不需要時間，完全同步，無論這兩人相隔的距離是100千米、100萬千米，還是100光年。其次，量子信道中光子的信息效率，比傳統信道高幾十倍。最后，量子通信沒有電磁輻射，任何無線電探測系統都對其無能為力，從某種意義上說，量子通信在現有理論環境中實現了絕對隱身。

量子通信示意圖

神秘的量子糾纏現象

在國防和軍事應用方面，量子通信有著無與倫比的燦爛前景，可以利用量子隱形傳輸、超大信道容量、超高通信速率等特點，建立滿足軍事特殊需求的超光速軍事信息網絡，這與要求苛刻的軍事通信簡直是天作之合。量子通信更能夠應用于深海安全通信，當前使用的對潛通信系統規模龐大，通信質量差，效率低，造價高，嚴重影響水下通信的質量。量子通信因其與傳輸媒介無關，不受海水影響，獲得可靠通信所需的信噪比比光、電等傳統通信手段低30～40分貝左右，為遠洋深海安全通信開辟了一條嶄新的途徑。

目前，量子隱形傳態雖然有了一些新的突破，但距離實際應用依然遙遠，面臨糾纏光源獲取困難、傳輸成功率尚不能滿足實用要求等問題。

量子羅盤

無處遁形—量子探測

量子探測是利用量子糾纏和疊加特性，對物體進行測量或成像。目前，量子探測的熱點主要集中在量子成像、量子雷達、量子傳感等領域。雖然這些技術的成熟度較低，但是其潛在應用將對未來作戰模式產生深遠影響，可真正實現全天候、反隱身、抗干擾作戰。

量子成像 量子成像是利用量子光場實現的一種超高分辨率成像方法，基本過程是將光源產生的光束輸送到兩個不同的光學線性系統中，在其中一個光學系統中放置物體和點光源探測器，在另一個光學系統中只放置一個高分辨率探測器，通過將點光源探測器得到的光強度與高分辨率探測器得到的圖像進行強度關聯，就可以獲得物體的像。由于量子成像可通過一定的手段，在沒有物體的光路上得到物體的像，因此這種成像方式又被稱為“鬼成像”。

由于量子成像技術受障礙物、煙塵霧霾、大氣湍流等環境因素的影響較小，其在戰場上的潛在應用引發了國外軍事強國的關注，尤其是美國陸軍，早在2003年就開始研究量子成像技術。2013年，美國陸軍研究實驗室申請了“用于圖像增強和改進的系統與方法”的創新技術專利，該專利是關于在紅外波段進行量子成像的技術。同時，美國陸軍實驗室還進行了距離2.33千米的紅外量子成像測試，在低光和氣流紊亂情況下獲取了非常清晰的圖像。2014年，奧地利科學院量子光學與量子信息研究所、維也納量子科技中心和維也納大學研究人員，開發出一種全新的違反直覺特征的量子成像技術，首次實現了無需探測光照射被拍攝物體便可獲得物體圖像，光不需接觸被拍攝物體即可顯示圖像。

量子雷達 量子雷達是基于量子糾纏理論，將量子信息調制到雷達信號中，從而實現目標探測的一種設備，主要包括單光子量子雷達、糾纏光子量子雷達及量子激光雷達。量子雷達的靈敏度遠遠高于傳統雷達，可以探測到目前最先進的隱形目標。目前，量子雷達技術的相關基本理論已經成熟，但受量子雷達關鍵技術及器件性能的限制，技術上還處于探索階段。量子雷達為反隱身提供了一種全新的技術發展途徑，在探測隱身目標方面具有重大的發展及應用價值。例如，如果有一架隱身飛機通過攔截光子并重新發送虛假信號實現隱身，那么只要雷達回波僅相當于一只鳥的大小，就可以掩蓋自身的真實位置，但量子雷達在這一欺騙過程中可以輕易發現飛機的蹤跡。2012年12月，美國羅切斯特大學研究所披露了利用量子增強型激光雷達對隱身目標進行探測的試驗情況，這次試驗證明了量子雷達不僅能探測到隱身飛機，還能探測到具有欺騙能力的隱身飛機。

量子傳感 量子傳感是利用量子信號對環境變化的極高敏感性，提高測量精度的一種新型傳感方法。美國國防高級研究計劃局正在開展的“生物環境中的量子效應”項目，利用生物環境量子效應研究電磁噪聲對鳥類內部磁羅盤的干擾，有助于新興仿生傳感器、先進人造傳感器的研制。2013年7月，美國陸軍利用激光冷卻原子的方法實現了在量子傳感器領域的突破，大幅提高了全球定位系統拒止環境下的導航和探測能力。2014年，英國國防科學技術實驗室開發出“量子羅盤”導航系統原型機，其具體原理是，通過把一些離子“囚禁”在超低溫狀態，并減少外部電波造成的影響，使被囚禁的離子僅對地球產生的電磁擾動敏感，通過測量地球產生的電磁擾動對這些離子的影響，就能以極高精度實現導航和定位功能。目前，科學家把主要精力用于將該設備的小型化，以便用于戰場。

結 語

戰略博弈的贏家，只能是那些見一葉而知天下秋，并立即付諸行動的智者。作為一種戰略性前沿技術，量子信息技術在軍事應用方面有著無與倫比的廣闊前景，對于國家安全具有重大戰略意義。面對量子信息技術的機遇與挑戰，只有盡早規劃，提前部署，才能在未來戰爭中占據先機和主動。正如制空權理論的建構者、意大利軍事家杜黑的名言：“勝利只向那些能預見戰爭特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發生才去適應的人微笑。”

責任編輯：葛 妍