量子力學的軍事應用展望

韓毅

摘要：量子力學是20世紀最重要的科學理論成就，它一方面因其神秘高深的特性被稱為物理世界的百歲幽靈，另一方面又作為構成現代自然科學的基礎理論，深深改變著人類生活的方方面面。量子力學在軍事領域的幾大應用近些年也取得了很大的進步，其中的量子衛星、量子雷達、量子武器和量子計算機都有望登上未來軍事斗爭的舞臺上并一展拳腳。而將量子力學理論引入軍事裝備領域，也必將引發新一輪的軍事大變革。

關鍵詞：量子力學；量子衛星；量子雷達；量子武器；量子計算機

作為人類歷史進步的杠桿和最高意義的革命力量，科技在軍事領域發揮著無可替代的作用。而量子力學引領著當前科技的重大發展，將其引入軍事裝備領域，必將引發新一輪的軍事大變革。特別是近些年來，以量子衛星、量子雷達、量子武器和量子計算機為首的一批高尖端量子軍事裝備取得突破性進展，使得我們有理由期待它們在未來登上軍事斗爭的舞臺并大展拳腳。

1 量子衛星：不可竊聽的通訊

信息化戰爭條件下，基于衛星的無線通訊無處不在，及時安全的信息傳遞可謂重中之重，而量子力學恰恰可以在這一領域大顯身手，這同時也是目前量子力學應用最成熟的領域之一。

2016年8月16日，我國在酒泉衛星發射中心成功發射世界首顆量子衛星“墨子號”，該事件標志著人類將首次完成衛星和地面之間的量子通訊，也證明了我國在量子力學研究領域的國際領先地位。

量子通訊主要是利用了量子疊加原理和量子糾纏原理。量子疊加原理指出，量子處于多種可能狀態的疊加狀態，只有對其進行觀察或測量時，量子才會塌陷為其中一種可能狀態，因此在對其觀察前無法確定量子的狀態。而根據量子糾纏原理，一對相互糾纏的量子即使相距遙遠，也可以互相聯結，雙方都能“感應”到對方的狀態，并根據對方狀態的變化做出相應變化，這種詭異的聯系被愛因斯坦稱為“幽靈般的超距作用”。 在量子通訊中，使用一對糾纏的光子進行密鑰的傳遞。根據光的偏正特性，光子有兩個不同的偏正方向，而在被測量前，糾纏量子對中光子的偏振方向處于這兩種方向的疊加態，因而是不確定的。只有當其中一個光子被測量時，它的偏振方向才能得到確認，同時另外一個光子也因為量子糾纏而確定了與之對應的偏正方向。這里每一個光子的偏正方向就可代表傳送的信息，好比于計算機語言中的“0”和“1”，當通訊雙方采用相同參數的設置時，雙方就可以利用量子糾纏原理得到相同的信息[1]。

在信息保密方面，“墨子號”衛星的首要科學目標就是開展星地間的高速量子密鑰發放，也就是為衛星和地面之間的量子通訊提供絕對保密的密鑰[2]。加密技術自古有之，直到今日仍舊是保證通信安全的關鍵，特別是對于信息安全極度重視的軍事行動來說，其重要性更是不言而喻。傳統加密技術建立在復雜的數學計算基礎之上，好的密碼往往有著強健的加密算法，以及受到保護的密鑰[3]。但理論上來說，任何傳統密碼皆可破譯，[1]特別是伴隨著計算機機技術計算能力的飛速發展，更使得基于計算安全性的密碼不再絕對安全。比如1977年三位美國科學家提出了用于數據加密的RSA公鑰加密算法，號稱以當時人類的運算能力需要4x1016年才能被破解，卻在公布十七年后就被成功攻破，這一事件充分說明了傳統加密技術的脆弱。

而量子密碼是利用物理學原理保護信息，量子自身的特征就決定了量子通訊的過程是無條件安全的。量子通訊中的密鑰以光子的形式傳送，量子的不可分割、不可克隆和測不準的特性，共同保證了通訊信息絕對的不可竊聽、無法破譯。量子力學的基本原理之一海森堡測不準原理指出，觀察者無法同時準確測得量子的位置和動量，一旦進行觀察就必定會導致量子狀態的改變。該原理進一步擴展，可推得單量子不可復制定理，即在不知道量子狀態的情況下，不可能對其進行復制。為得到量子的狀態就必須進行觀測，而因為測不準原理，觀察又是肯定無法準確進行的。根據這兩個原理，在竊密者企圖進行竊密觀測的同時，已經改變了密鑰的量子狀態，即便密鑰不幸落入竊密者手里，他們得到的也僅僅是毫無意義的數據。而發送者和接收者通過對糾纏光子對偏正性的比較，就能判斷是否有人試圖竊取該密鑰。如果密鑰光子的偏正方向有變，就代表該密鑰被人竊聽，發送方可發送新的密鑰，直至接受方收到一個沒有收到任何干擾的密鑰為止。[1]

量子衛星通訊的另一好處是高效，地面信號的傳輸主要以光纖為媒介，而量子信號在光纖中的損耗很大，在傳播一百公里之后就僅剩百分之一的信號。如果想進行遠距離的量子通訊就必須建立多個信號中繼站，但這樣又會大大增加信號泄露的幾率[4]。而光在大氣間的傳輸損耗卻遠遠小于在地面光纖中傳輸的損耗，光子穿透整個大氣層后仍可保留80%左右的信號。利用這一原理，我們可以使用量子衛星作為地面網絡的中轉站，從而極大的提升通訊的效率[5]。

2 量子雷達：突破千里眼的局限

作為戰場上的千里眼，自二戰首次登上歷史舞臺以來，雷達就是部隊不可或缺的關鍵裝備。但傳統雷達具有功率大；電磁泄露強；體積大；機動性差；成像弱等缺點。[6]特別是隨著現代隱形飛機的快速發展，傳統雷達反隱形能力弱的缺點更加明顯。而量子雷達借助量子力學原理可以很好克服傳統雷達的各項不足。

首先在反隱形能力方面。傳統的雷達通過發射電磁信號并接收目標反射的回波信號來感知目標位置、速度等信息[8]。而量子雷達的只采用相對較少的光量子對目標進行探測，利用的是光量子的粒子特性。[9]隱形飛機攔截傳統雷達所發出信號，并且重新發送一只鳥的虛假信號作為雷達回波，這樣就掩蓋了自身的位置。但是當它攔截量子雷達所發出光子后，根據測不準原理，光子原來的量子特征會被破壞，而由于光子的不可復制性，隱形飛機所發出的虛假信號也不能重新模擬出之前光子的物理特征。量子雷達只要通過對目標反射回來的單光子狀態進行識別，就能識破其干擾行為。此外，量子雷達可發射糾纏態的電磁波，將糾纏的光子對其中一個作為成像分子，另一個作為探測光子。成像光子留在量子存儲器中，探測光子被發射出去，經目標反射后被量子雷達重新接受。這樣根據量子糾纏的原理，通過比較糾纏光子對中兩光子各自的量子狀態，可顯著提高雷達的探測性能。而且，量子雷達只將少數幾個甚至一個量子作為信息載體，使得其靈敏度相比于傳統雷達也有了質的提高[6]。endprint

量子雷達的研究在近些年也有了很大的突破，在我國“墨子號”量子衛星成功升天后不久，就傳來了由電子科技集團第14研究所領銜研制的量子雷達取得突破性進展的捷報。據悉該所已完成了量子探測機理、目標散射特性研究以及量子探測原理的實驗驗證。這一報導同時也再一次證明了我國在量子領域的國際領先地位。

3 量子武器：顛覆性威力

除了在衛星通訊和雷達偵測方面的應用之外，將量子理論應用到武器領域，也可創造出多種顛覆性的新式武器。

首先是反物質武器，反物質是由反粒子構成的一種物質?？茖W研究發現，每一個基本粒子都有一個與自身外形相同但是“秉性”相反的“鏡像物”，這就是該粒子的反物質。比如，帶正電的電子被稱為反電子，而帶負電的質子被稱為反質子。同理，由反電子和反質子組合而成的氫原子被稱為反氫原子。萬物同性相吸異性相斥的共性眾所周知，反物質也不例外。當反物質一旦與正物質相遇，就會相互結合，發生湮滅（annihilation）。湮滅效應放出光子和介子，同時將正反物質的全部質量都轉變為能量釋放[11]。按照愛因斯坦著名的質能方程E=mc2進行計算，只需1毫克反物質與1毫克正物質湮滅產生的能量就相當于430噸TNT炸藥的威力，遠勝于原子彈和氫彈。此外反物質還可以作為航天器、火箭等的燃料，僅僅數毫克的反物質燃料，就可以在六周內將太空船推動到火星。反物質武器的巨大軍事潛力和戰略意義深深吸引著各國軍界，美國氫彈之父泰勒以及蘇聯氫彈之父薩哈羅夫都很早就開始研究反物質的軍事應用[10]。

雖然反物質武器威力巨大，前景廣闊，但是距其實際投入應用還有一段長路。一方面，盡管早在1932年，美國科學家卡爾·安德森就第一次發現了正電子，但迄今為止也尚未在地球上發現任何天然存在的反物質，而在實驗室制造反物質又是一項成本極高難度極大的工作，甚至還有很多科學家傾向于在茫茫宇宙中搜尋反物質。另一方面，即便可以順利制造，反物質的貯藏和運輸也將是一項難以進行的工作[10]。

除此之外，量子力學應用于軍事領域還將產生利用量子凝縮的重力波炮，該武器可以在宇宙中發射不受媒介限制高能重力波造成殺傷，而其余武器由于在宇宙中缺乏傳播媒介，殺傷力將大打折扣；被稱為人造黑洞的重力場發生器；以及可抵抗大量物理攻擊的量子防護罩。隨著近些年量子力學研究的進一步成熟，這些量子武器距離實際投入應用也更近了一步。而其中任意的一種武器的實現，其帶來軍隊戰斗力顛覆性的提升，都必將在全球軍界引發軒然大波[12]。

4 量子計算機：使傳統密碼無密可保

作為由軍事需求直接催生的產物，計算機在軍事領域一經使用，就大大改變戰爭的形式。自1946年世界上第一臺電子計算機ENIAC問世以來，它就不但部分地代替和延伸了人腦的功能，帶來了信息化戰爭和數字化戰爭的概念，更將人類引入了智能對抗的時代。[13]隨著量子研究的深入，量子計算機的產生成為可能。作為基于量子物理學的新一代計算機，量子計算機將利用其與生俱來的超強計算能力，再一次改變世界格局。

經典計算機是依據馮諾依曼（von Neumann）體系結構，以及艾倫·圖靈（Alan Turing）1936提出的圖靈機（Turing Machine）模型制造的[14]。自20世紀60年代以來，經典計算機的發展近似地遵從與摩爾定律（Moore`s Law ），即集成電路上可容納的元器件數量每隔18～24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。隨著電子器件尺寸的進一步縮小，用于經典計算機制造的傳統方法開始顯得力不從心，因而大部分專家預測摩爾定律將在本世紀前20年失效[15]。另外經典計算機為達到尺寸小、容量大、速度快的目標，集成電路的線寬將進一步縮小，當其小于0.1μm時，量子效應的作用將大大加強[16]。因此，傳統的計算模型即將步入盡頭，為了進一步提高計算機的性能，科學家將目光轉向量子力學的領域，并于1982年由物理學家費曼（Feynman）首次提出了量子計算機的概念，他指出在經典計算機上模擬量子力學系統存在本質困難，建議在量子力學的基礎上構造計算機以克服這些困難[17]。

量子計算機主要利用了量子的疊加性和糾纏性。經典計算機基于香農（Claude Shannon）1948年提出的信息論，利用電流的通斷或者電壓的高低來表示二進制中的“位”（bit），每一位的取值為0或1，通過對位操作來進行計算。而量子計算機中則利用光子的不同偏正態、原子不同取向的自旋態或者超導體中電流的左旋右旋等來對應“量子位”中的0和1。但與經典計算機中的位不同的是，量子計算機中的量子位可同時處于0和1的疊加態，所以，對量子位操作一次，就相當于對經典位操作兩次，這是量子計算機相對于經典計算機的一大優勢。

量子糾纏原理使得量子計算機具有了更大的優勢，即兩個量子位可同時處于4個狀態（0，0）（0，1）（1，0）（1，1）。同理，3個量子位就可以同時處于8個不同狀態，n個量子位可同時處于2n個不同狀態。這樣一個經典32位計算機要進行232次（約4G次）操作才能完成的運算，一個糾纏的32個量子位的量子計算機僅僅只需要一次操作。而在搜索能力方面，對于總計N種可能的組合，經典計算機平均要嘗試N/2次才能成功，而量子計算機只需要次。在N的數量很大時，量子計算機的優勢就變得極為明顯。例如在N為200萬的情況下，經典計算機需要嘗試100萬次，而量子計算機只需要1000次。這一點是因為量子計算機將總數為N的被搜索對象疊加為Hilbert空間中的一個態，要搜尋的態只是其中的一個分量[16]。

目前的研究和實驗表明，在一些問題的計算中，量子計算機的運算速度相對經典計算機具有指數級的提高。特別是對于軍事領域至關重要的解密問題，大因數分解的困難是目前經典計算機RSA公共加密系統的基礎。在經典計算機上，解密所需運算次數隨輸入量的大小呈指數次方增長，對于56位數的解密時間，即便使用當前運算最快的經典巨型計算機（千億次/s），都將花費107s才能完成，這個時間相當于宇宙的壽命。而且這種情況在經典物理學的范圍內是本質上不可能得到解決的，因而可以認為RSA加密系統是安全的。而對于相同的56位數解密問題，采用量子計算機在幾秒之內就可以解決。這樣的話，RSA加密系統的安全性將面臨極大挑戰，甚至可以說在量子計算機面前，傳統密碼將無密可保。[16]這樣看來，在功能如此強大量子計算機面前，唯一對手就是同樣基于量子力學原理的量子密碼了。endprint

作為21世紀最重大的理論突破，量子力學的發展在很大程度上推動了近代科技的進步，而科技的進步必將推動軍事的變革，量子力學也必將引領未來軍事裝備的發展。相信在不遠的將來，建立在量子力學基礎上的量子通訊、量子雷達、量子武器和量子計算機將投入實際的軍事斗爭之中，并且最終成為改變整個世界軍事格局的革命性力量。

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