量子技術軍事應用探析

張玉強，林國語，李立緯，肖本帥

（武警海警學院艦艇指揮系，浙江 寧波 315801）

自1900 年普朗克引入“量子”的概念之后，量子力學迅速發展成為現代物理兩大支柱之一，其產生與發展給傳統的科學理念造成巨大的沖擊，量子力學不僅對超導電性、原子及原子核結構、半導體性質等給出了科學的解釋，并促成了新技術、新功能、新材料的不斷出現。可以說，現代物理學的分支及相關的邊緣學科無一不是建立在量子力學基礎之上的。量子技術在深刻改變人類對科學認知的同時，對軍事領域的影響也愈加顯著，傳統的用時間爭取空間或用空間爭取時間的理念將會被改變，量子技術所突出的高節奏、高速度在戰爭中才能贏得時間和空間上的優勢，取得最終的勝利。未來戰場空地海數據匯集，各軍兵種聯合作戰，使得大數據、大計算等成為戰場制勝的關鍵因素之一，量子技術將在軍事領域發揮優勢，也將成為提高我國在高技術條件下的防衛作戰能力、打贏未來高技術條件下的局部戰爭的主角，并不斷改變戰爭的形態。

1 量子技術引發軍事應用技術變革

量子糾纏、量子信息、量子計算、量子通信等研究成果在科學領域產生深遠影響，特別是量子系統具有信息儲存量大、讀取速度高、保密性高等特點。世界各國特別是美、英、日等發達國家都從戰略的高度部署量子技術的研究，以提升本國的軍事實力。量子技術的發展也必然使現有武器裝備的技戰術指標和作戰能力得到有效地提升，成為軍事領域應用技術的新變革，這主要體現在以下幾個方面。

1.1 提高保密性

信息安全與國家的政治、國防、商業、經濟、金融等各個方面緊密相關，只有提高信息的保密性，才能在對方強大的信息攻勢面前，構筑起堅固的信息屏障，確保國家權益不受侵犯。軍事情報歷來在戰爭中扮演著重要角色，軍事信息的安全保密工作，事關國家利益和軍隊安全。

態疊加原理是量子技術在信息保密方面應用的重要的理論支撐，也是量子力學的基本原理之一，即若 1ψ是體系的一個可能態，2ψ也是體系的一個可能態，則是體系的可能態。經典計算機中0 和1 作為信息的基本單位，用0 和1 組成的字符來表示信息；量子計算機計算的基本單位是量子比特(qubit)，即必須用兩個量子態代替經典比特狀態0 和1，進入根號交換門代表邏輯0 和1 的兩個量子比特會相互作用，產生一個糾纏態，即01 和10 的疊加態，即使它們被分開在沒有相互干擾的情況下到達相距很遠的位置，仍能保持相互糾纏，并且對距離很遠的兩個量子比特中的任一個進行測量的結果通常是高度關聯的，也就是某個粒子的作用將會瞬時的影響另一個粒子，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。N個量子儲存器與N個經典儲存器分別能夠儲存2N個數和一個數，足以說明其強大的數據儲存能力。量子比特與比特之間的比較如表1 所示。

表1 量子比特和比特的比較

之所以量子計算機在運行的過程中不能對量子態測量，是因為測量會使量子態發生改變，也就是對量子態的測量會對量子態本身造成干擾，物理上任何量子復制機都沒法克隆出與輸入量子態相同的量子態來，即未知量子比特不可能精確復制，使得每個復制比特與初始量子比特相同，不可復制性的根本原因是態疊加原理。在量子力學允許的范圍內，無法精確復制一個未知的量子態，使復制的量子態與原量子態完全一致，量子技術在此領域可以展現其獨特的優勢，以確保軍事信息的完整性、可用性、機密性和真實性，使信息在各個環節安全。

1.2 提高保真度

在高技術局部戰爭中，全部的武器裝備都與微電子技術息息相關。如軍艦當中電子設備占裝備成本的22%、戰斗車輛占24%、作戰飛機占35%，導彈占45%，軍用衛星占66%，自動化系統占88%。在高精度、高速度、小型化、復雜化及集成化驅使下，微電子技術發展日新月異，研究和生產尺寸早已達到納米級，此時電路中的量子噪聲不可避免的對信號的保真度和穩定性等產生重要影響。現在的科技水平已經使得在計算機的硬件設計中必須考慮電路及器件中的量子效應，如處于介觀尺度的材料，盡管也含有大量粒子，但其系統尺度小于相干尺度，同一樣本中的粒子保持相干運動，各個樣本性質差異極大，系統的平均值不再有效的刻畫系統中所有樣本的性質，或者說存在很大的統計漲落。因此，降低電路及器件中的量子噪聲，增加其在工作過程中的信號的保真度和穩定性顯得尤為重要。

目前人們對微電路系統量子效應的研究取得了一定的進展，并對提高微電路工作過程中信號的保真度和穩定性起到了重要的促進作用。隨著納米技術的迅速發展，微電子器件的尺寸已達到了原子數量級，即將逼近極限，對電路量子效應進一步深入研究，尤其是對實現降低量子噪聲研究，對半導體、量子信息、量子計算等技術的發展，無疑非常重要。

1.3 提高材料性能

量子材料屬于一類新材料，它利用的是光的量子性能的一種技術，其結構尺寸在納米數量級，此時物質的量子尺寸效應對材料性能的影響就成為不能忽視的問題。量子隱身材料，可以完全在不借助其他技術的情況下，通過彎曲光線達到隱形，甚至可逃過紅外望遠鏡和熱力學設備的追蹤。

加拿大已研發出“量子隱形”衣，其通過反射穿衣著身邊的光波，可以使穿衣人達到隱身的效果。目前的反雷達探測隱身技術受頻率段限制，其主要針對的是厘米波段雷達。近年來隨著紅外、紫外探測器，處于毫米波段、米波段雷達等新型先進探測器不斷出現，并陸續裝備部隊，這使原有的隱身方式在新式裝備面前顯得蒼白無力。要想繼續達到隱身的目的，這就要求隱身材料具備寬頻帶吸波特性，即同一種隱身材料能夠對抗多種波段的電磁波源的探測。量子隱身材料用于偵查器材，可以對對方實施全方位、大縱深的立體偵查，及時掌握其兵力及武器部署情況，取得可靠的情報來源。可以有效提高作戰勝算概率、出奇制勝，有效打擊對方的有生力量，從而掌握戰場上的主動權。

2 量子技術將改變戰爭模式

2.1 量子技術在軍事應用中的發展

量子技術不僅深刻改變著人類對微觀領域的認知，也對未來戰爭形態有著深刻影響，使未來戰場上的作戰方式、方法發生根本性的改變，并有力地改變著戰爭的面貌，影響著戰爭的結局。未來戰爭的特征主要體現在信息化、智能化、網絡化和群組化等，這些鮮明特征的背后無不有著強大的科技支撐，而量子技術處于科技舞臺的C 位，直接引發和推動著軍事應用技術革命。二戰末，德國就開始了對量子武器和反量子武器計劃的研究，而且發展迅速。

20 世紀70 年代，英美已著手開始對量子計算進行研究；前蘇聯也一直在秘密地進行相關的研發試驗，俄羅斯軍隊在謀劃未來戰爭模式-脈沖戰爭后，對量子武器的研制提上日程。正如俄羅斯專家所要表達的那樣：只要條件允許，俄軍就能成功研制一種被稱作量子武器的神秘設備，其性能遠遠優于世界上現有的類似產品。俄媒體稱，目前俄已研制出一系列威力驚人的電子戰武器，其中一種神秘的新式電子戰武器可以放在一個小箱子里，能使一個中等國家或者整個地區能源系統陷入癱瘓。1997 年，美軍正式提出“導航戰”的概念。基于此，美國麻省理工學院于2001 年首次提出量子定位系統，量子定位系統是基于量子力學基本原理，利用量子糾纏、量子壓縮等特征，通過量子信號的形式，來實現高精度定位要求的一種新型定位系統。

2.2 量子武器

將量子技術應用于軍事，所生產出的量子武器能夠大幅度提高彈頭對目標的穿透力和破壞力、具有更強的殺傷力和破壞力，其威力會超過核武器。現代海戰三大決勝武器：航空母艦、導彈、核潛艇將成為戰場的配角，量子武器將成為戰場的主宰，因為量子武器裝備具有其他武器裝備所不可及的優勢，其威力也遠超核武器。安裝在艦艇上的量子武器，能夠對任何有威脅的目標一掃而光，從而有效地震懾對方。另外，量子武器也能用來引發發電站、化工廠、武器庫等的劇烈爆炸。

（1）反物質武器。所謂反物質，是與物質相對而言的，組成物質的微觀粒子是分子（分子是由原子構成的）或原子，原子是由帶正電的原子核和核外帶負電的電子構成的；反原子則是由帶正電的電子和帶負電的原子核構成的，反物質就是由反原子構成的。當反物質與物質發生碰撞時就會將所有的質量轉化為能量，放射出巨大的能量，所產生的爆炸力和破壞力極強。

（2）量子激光器。《自然·光子學》雜志刊發文章，美國科學家設計出一種高為2μm 的表面發射激光，能夠實現單一芯片上的光學連接，這極大提高了新一代計算機微處理器上實現高速的數據連接，從而提高計算機的整體效能。激光器會使光子學與電子學共存于一個芯片上，使得制造可用于通信、計算、傳感等多重功能的超級芯片成為可能，對計算機在數據處理、運輸等有很大程度的提高。由于量子線和量子點跟量子阱相比具有更強的量子限制效應，所以量子激光器具有更低的電流閾值密度，更高的增益和特征溫度等優越特性。

（3）量子衛星。隨著2016 年8 月我國成功發射世界首顆“墨子號”量子科學實驗衛星，預示著我國量子通信技術步入世界前沿。

量子通信可以突破現有信息技術的物理極限，在處理速度、安全保密、空間容量等方面將會發生質的飛躍，被譽為信息安全的“終極武器”。在戰時，信息就是戰斗力，也是戰斗能力的關鍵因素之一，信息目標的得失成為戰爭取得成敗的重要標志，從某種程度上講，信息資源也是國防資源。量子通信是使用量子態作為信息的載體，并把量子糾纏作為信道，將該量子態由一地傳送到另一地的一種通信方式，量子糾纏網絡可用于局域量子因特網和分布量子計算，也可用于遠程量子網絡，實現量子的“云計算”。

量子通信之所以能夠實現安全的保密信息，是因為量子密鑰分發的無條件安全性，量子密鑰分發的理論基礎就是量子力學的量子態不可克隆定理和海森堡不確定關系；此外量子通信還具有抗干擾能力強、信噪比低，傳輸信息量豐富等特征。基于此，量子通信在對潛、對空等特殊通信應用領域，更能夠發揮其無傳輸介質限制、高效、安全等獨特優勢。另外，量子精密測量，為高精度定位和導航提供了可能，可用于遠海艦艇及潛水艇導航。

（4）量子計算機。量子力學在計算機中的應用使得量子計算機應運而生，其之所以引起計算機理論領域的革命，優勢主要體現在量子并行算法上。例如用萬億次經典計算機分解300 位的大數需要15 萬年，而萬億次量子計算機，只需要1s。量子計算可以加快某些函數的運算速度；量子因特網具有安全性，并集信息處理和傳輸于一體，可實現多端分布計算，降低通信復雜度。量子計算機的一般工作原理如圖1 所示。其中，幺正變換操作需要使用量子算法進行量子編程。

圖1 量子計算機工作原理

量子信息科學的核心目標是實現真正意義上的量子計算機和實現絕對安全的、可實用化的長程量子通信。眾所周知，信息戰是高新技術局部戰爭中的一種新的作戰樣式，其表現形式為戰場上的信息對抗行動，其中保護好己方信息是信息戰的基本特征之一。由于量子計算機在運行的過程中不能對量子態測量，因為測量會使量子態發生改變，即未知量子比特不可能精確復制，使得每個復制比特與初始量子比特相同，此性質有利的一方面是從根本上保證了無法竊聽量子通訊信道，有效地杜絕了對方通過計算機滲透竊取己方情報的信息的目的，從而在信息戰中奪取“制信息權”。

3 結語

強軍興軍，歸根到底要落實到提高軍隊戰斗力這個根本上來，高端武器是高新技術發展的結晶。在戰場上，科學技術就是戰斗力，軍事高技術的發展水平的高低將直接決定是否占據戰場上的主動，以量子技術為核心的高新技術正以前所未有的廣度和深度向軍事領域滲透。量子技術在軍事領域中的應用將對未來戰爭帶來深刻影響，產生全新的戰爭理念。