未来战争中量子技术应用的分析和展望
——俄乌冲突背景下的军事量子技术
启科量子：邵伟、韩琢、劳庆兰、眭珺钦、周卓俊
摘 要
目前俄乌冲突中除了局势多变的战况外，俄乌双方各式军事科技在战场上的应用同样引发了外界的热议。其中表现突出的激光通信、高空卫星侦察等高新技术都属于量子技术领域。
量子技术是基于量子力学原理的技术，根据其特征可以划分为1.0和2.0两个阶段：量子1.0技术的特征是对自然界中本身存在的量子体系加以利用；而量子2.0技术的特征是根据实际需求主动制备合适的量子态并进行工程化应用。如今科学界和工程界将量子技术的发展时期划分为量子1.0时代和量子2.0时代。在现代战争中，量子1.0技术已经有了广泛的应用，如激光、半导体、原子钟等在探测、通信、定位导航以及其他军事应用方面都发挥着举足轻重的作用。而目前正在兴起的量子2.0技术在军事应用上也展现其潜力，如量子传感、量子通信和量子计算。本文以量子技术在俄乌冲突的应用为例，详细介绍目前量子1.0技术以及未来量子2.0技术在军事领域的应用情况。
关键词：量子技术，军事技术，量子计算
1 引 言
量子技术是一门无法用经典物理学解释的科学技术，通常量子技术的原理是对应一个或多个量子力学原理。与经典力学框架内的传统技术不同的是，量子技术允许我们组织和控制由量子力学支配的微观复杂系统。由于量子技术更加接近物理定律的本质，因此它往往能在更小的尺度上实现比经典技术更强的性能。
到20世纪90年代末，量子技术逐步开始从1.0时代发展到2.0时代。量子2.0技术是在量子力学的体系中根据我们需要的功能设计并制造出天然不存在的量子体系，比如人造高能量量子状态的原子——里德堡原子、处于纠缠态的光子对、处于叠加态和纠缠态的量子比特等等。这种人造量子系统可以应用于量子传感、量子通信、量子计算等新兴领域。它们不仅能提供优于量子1.0的技术，还能提供诸如绝对安全的通信、量子并行计算以及其他新功能，而这些功能在军事上具有广泛的应用前景。
本文在第2章会回顾过去量子1.0技术的发展并以俄乌冲突为例分析它们在现代战争中所起到的重要作用。之后在第3章中会介绍几个重要的量子2.0技术并预想其未来在战场上应用的方式。最后我们总结了量子技术的发展并给出未来发展方向的展望和建议。
2 量子1.0技术在俄乌冲突中的应用
现代战争中的关键技术包括远程激光通信、导弹定位、制导、高分辨率卫星侦察以及计算机等，这些技术的具体应用都源自激光、半导体以及原子钟三种基础技术。其中激光在通信中作为主要信息载体，目前的光纤通信主要靠激光来实现。半导体作为集成电路和光传感器的载体，是运算和光探测必需的组件。而原子钟作为目前最精确的计时工具，确保了卫星定位的高精确度。这些基于量子力学理论并通过对自然微观世界的深刻认知所创造出来的技术属于量子1.0技术，其衍生技术也在量子1.0的范围内。
本章先简要介绍这三种技术背后的量子力学原理，并以量子技术在俄乌冲突中的实际应用为例，介绍它们在现代战争中的应用情况。
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2.1 激光技术
技术简介：
激光的全名是“通过受激辐射实现光放大”。其技术原理是基于受激辐射理论通过特定频率的光子激发位于高能级的原子，就能向外辐射出与激发光同频、同向、同相的光子。它通过光泵浦或者电泵浦使大量原子保持高能级状态，从而源源不断地产生同频、同向、同相的光子。这些光子通过反射镜收集起来，然后定向发射，最终形成激光。
由激光原理可见激光具有良好的相干性，在保持较窄线宽的前提下，其频率足够高。因为窄线宽的特性可以让多种不同频率的激光通过同一根光纤传播而互不干扰，从而进一步提高了激光通信的带宽上限。同时高频率代表更大的带宽，太赫兹级别的激光所搭载的信息要比传统兆赫兹的无线电多出几个数量级。这种特性使得激光成为一种良好的信息载体， 1976年，美国亚特兰大的地下管道试验成功的首条光纤通信系统的速率为44.7Mb/s，而目前光纤网络的速率可达14Tb/s，相当于电线通信上限12Mb/s速率的一百万倍。
举例：俄乌冲突中的自由空间激光通信
激光相干性还带来了良好的指向性。指向性一般以发散角来量度，发散角越小，光越接近于平行光。激光的发散角比最好的探照灯要低一个数量级，可以在自由空间进行指向和通信。精准指向的激光经过真空或空气远距离传播后仍然能被激光接收器捕获，从而使得激光通信无需搭建实体通信线路就能够实现高效率的远程通信，在当今战场局势瞬息万变的情况下，需要快速建立起可靠的远程通信信道。
俄乌冲突的初期，俄军首要打击的目标就是乌克兰境内的光纤通信网络，这使得很多前线乌军无法通过地面与后方指挥进行远程通信。乌克兰解决远程通信的方案是使用基于空间激光通信的星链技术，该技术是美国公司SpaceX推出的一项能够通过近地轨道卫星群给全球互联网提供的接入服务。它将地面天线和终端进行连接，通过天线将信号发到上空的星链卫星上，卫星间通过激光通信，将信号传递到数千公里之外的地面基站，再由卫星与地面基站通信，最终实现与地面光纤互联网连接。数个卫星之间通过激光通信可以使战场信息与后方安全区域的地面基站直接相连，当地面通信被截断时，战场依然可以远程通信。星链既能实现连接又能保持一定带宽，当卫星距离地面基站约4,500公里时，其终端的数据速率为10 Gbps；当卫星距离地面基站3500公里时，则其终端的数据速率将达到20 Gbps，这已经超过了4G网络的水平。目前，星链通信卫星累计入轨数已有2200枚左右，足以满足大多数用户上网的需求。
图1 星链卫星入轨过程中形成的长链。
Fig.1. The long chain formed during the orbiting of Starlink satellites.
图2 近地卫星之间通过激光通信。
Fig.2. Communication between near-Earth satellites via laser.
图3 2021年SpaceX发射的星链卫星包。
Fig.3. Starlink satellite package launched by SpaceX in 2021.
俄军进入乌克兰境内不久后，乌克兰就请求SpaceX援助，并且快速收到了大批的星链地面终端。根据现场的测试，星链的网络速度达到5G的一半，超过了乌克兰现有的网络速度。每天有超过10万名乌克兰居民通过星链把乌克兰当地的消息传递给全世界。除了替代地基通信外，星链还展示了其为空军提供的通信能力。乌克兰前线的PD-1侦察无人机就装配了与星链通信的部件，而美国空军也试验了通过星链卫星为F-35提供通信，试验结果证明效果要比电子通信好。
在俄乌冲突中，卫星间通过激光通信保障了战场网络的畅通，从而给社交媒体带来全新的应用。在前线战区的乌克兰居民会对乌境内行进的俄军进行拍摄，并把照片和位置信息上传到社交媒体上。
乌克兰官方通过社交媒体收集到这些照片，经过大数据运算后便能了解俄军每一天的行进情况。前线的乌军借助这些信息对俄军的行进路线进行预判，可提前做好伏击俄军的准备。在这场冲突中，俄军在几周内有2千多台车辆被破坏，其中包括坦克、装甲车等重型车辆。而大多数重型车辆是由乌军预判出车辆的行驶路线，再集中火力予以破坏。这属于首次出现借助网络和民间力量实现对敌方大面积侦察的军事案例。
2.2 半导体技术
技术简介：
材料根据电导率通常可以分成导体、绝缘体以及不易导电但也不完全绝缘的半导体。电导率的定量分析需要借助量子力学， 通过把单个原子能级的概念扩展到宏观材料的能带理论中，可以计算出宏观材料的电导率，并根据电导率的需要对新型的半导体材料进行逆向设计。应用最广泛的半导体技术是1940年根据PN结的定向导通原理设计的晶体管，它可以控制电流的方向和大小，取代笨重的电子管作为逻辑门的载体。由大量的晶体管组成的逻辑电路可以实现各种复杂的逻辑运算，在 1960年表面集成电路制造工艺成熟之后便出现了可以直接蚀刻在半导体晶圆上的晶体管。数以亿计的晶体管被集成到微米级的表面上，构成了集成电路，大大降低了计算机算力的成本，从而使得目前绝大多数的电子设备都可以搭载独立的运算芯片。运算芯片可以对传感器采集的数据进行快速处理，并承担涉及计算的遥感、通信、加密、解密、武器测轨等领域的主要数据处理工作。
半导体技术不仅可以制造运算芯片，还可以制造感光元件。感光元件的技术原理是基于光电效应，利用光电信号转换，将接收到的光信号转化成半导体芯片使用的电信号，然后在半导体晶圆上蚀刻大量的光敏传感器并使其构成二维阵列，从而实现二维的数字成像，且单位面积传感器越多，图像的分辨率越高。目前主流的数字成像设备有1969年美国贝尔实验室发明的CCD感光器件，以及1995年Photobit公司实现的商业化CMOS光学传感器。通过CCD或CMOS所获的图像在存储和传输方面具有巨大优势。由于数字图像的载体是数字信息，图像可以直接通过网络传递到其他设备上。相对于胶片时代而言，这大大扩宽了成像设备的应用场景，可以在胶片难以回收的环境下（如深海或外太空）能即时读取数字图像。
举例：俄乌冲突中的高精度数字成像
高精度数字成像主要用于光学侦察。侦察卫星在高空俯瞰战场时，只要卫星图像具有足够高的分辨率就能获得更清晰的图像。 自2022年2月以来，俄方的行军动向多次被卫星拍摄并通过网络发布，其清晰度甚至可以分辨行军车辆的具体型号。目前多数卫星图像由美国Maxar公司提供，他们的WorldView-3卫星是世界上首个多载荷、超光谱、高分辨率的商业卫星，也是目前世界上最好的民用光学地球观测卫星。WorldView-3的全色分辨率达到30cm，每天拍照覆盖面积为68万平方千米，并可以在同一地点不同时间段连续拍摄。如今MAXAR已经成为了俄乌战争期间最清晰的一手图像来源，每隔几天，MAXAR就会发布乌克兰当地的卫星图片，从图片中可以获取到俄军的军事行动信息。
图4 2月28日WorldView-3所拍摄的俄军行进车队。
Fig.4. Russian military convoy photographed by WorldView-3 on Feb. 28th.
图5 3月11日俄军炮兵营在乌克兰 Ozera 向东南方向射击。
Fig.5. Russian artillery battalion in Ozera, Ukraine, firing to the south-east on Mar. 11th.
2.3 原子钟
技术简介：
时间通常是借助一种稳定的周期现象来界定，例如以地球的自转周期来界定一天，以一米长钟摆的半周期界定一秒等等。但是自然界的宏观运动周期不可能确保每一次都是绝对一致的，例如钟摆会因为机械零件加工的误差而逐步累积误差，所以需要经常校准。如果可以寻找到较稳定的周期现象或者较稳定的振动频率且其周期足够短或频率足够高，这样就可以以此为源头制造更加精确的时钟。
原子钟是目前最精确的计时工具，它使用微观原子极为稳定的共振频率来测量。前文提到激光的产生源自原子能级跃迁，根据量子力学的原理，相同的原子、相同的能级之间跃迁所产生的光子对应的频率都是固定的。用光照射原子时，若原子对光有吸收，则认为光会与原子产生共振，光的频率与原子能级的共振频率相同。这种频率最早是拉比于20世纪30年代读取出来的，他发现原子钟的稳定性比当时任何时钟都要好。1952年，第一台利用铯原子能级跃迁频率的原子钟问世，此后各种原子相继应用于原子钟的制造，如氢原子钟、铷原子钟等。
图6 常见的铷原子振荡器。
Fig.6. A common rubidium atomic oscillator.
举例：俄乌冲突中的全球定位系统
原子钟的误差非常小，如果能从宇宙诞生之日开始起计，时至今日，误差亦不足1秒。它远远超过人们日常所需的精度。然而直到今天仍有科学家试图进一步提高其精度，目的并不在于计时，而是用于定位与导航。
目前应用最广泛的定位方法就是全球导航卫星系统。定位卫星通常由数十颗卫星网组成，基于卫星之间的位置关系，建立卫星坐标系。当定位卫星对地面目标进行定位时，它会使地面目标向卫星发送信号，根据信号到达卫星所需的时间，可推算出目标与卫星之间的距离。至少结合三颗不同位置坐标的卫星所计算出来的相对距离即可得知目标相对于卫星坐标系的位置坐标，再结合卫星坐标系和地面的位置关系就可得知目标在地球表面的经纬度坐标。根据定位原理可发现，由于信号的速度是固定的光速，定位的精度取决于测量信号传播时间的精度，每1纳秒的时间误差就会导致0.3米的信号距离误差和米级的定位误差。但为了实现纳秒级误差的时间测量，就必须使用原子钟来校准。目前的定位卫星除了自身携带小型原子钟外，还会和地面的大型原子钟进行校准以保证定位精度。
图7 由三颗搭载原子钟的卫星构成的定位系统。
Fig.7. A positioning system consisting of three satellites carrying atomic clocks.
过去俄罗斯等多数国家的军用定位及导航都是使用美国的GPS系统，这使GPS成为了美国制裁其他国家的一张王牌。只要美国关闭某个区域的GPS服务，该区域所有基于GPS卫星定位的制导武器都将无法使用。俄罗斯已意识到技术自主可控的重要性，开始重视国产的格洛纳斯系统，并积极争取与中国北斗合作。在俄乌冲突前，俄罗斯一直在积极普及国产定位系统，要求俄军尽量使用格洛纳斯系统的国产设备， 这一举措的带来的好处体现在俄乌冲突期间。俄军在乌克兰境内作战时选用了部署干扰器对乌克兰设备发送的GPS定位信号进行干扰，使其无法和卫星联络。而俄军因为安装了格洛纳斯系统，仍然能够继续使用卫星定位。
俄罗斯的态度非常明确，强制要求某些民营企业安装格洛纳斯系统，特别是要安装在俄罗斯运营的飞机上。目前格洛纳斯系统的卫星数量已达24颗，完全具备了全球定位能力。俄罗斯签署了格洛纳斯和北斗在系统时间尺度上的互补合作协议后使用格洛纳斯和北斗协同定位，参与定位的卫星数量远远超过了GPS。目前精确定位和精确导航在现代战争中具有举足轻重的作用。具体体现在以下三个方面：①导航，导航是GPS最主要的功能，可以帮助军队快速转移到未知地点；②制导，和导航类似，只是它服务的主体不是军队，而是各类制导武器；③侦察，利用GPS的位置信息有助于侦察测绘。要想在现代战争中实现这些常见的作战方案，精确定位至关重要，而这都是基于原子钟的高稳定性。
3 量子2.0在未来战场上的应用
量子传感是基于量子力学效应，测量相应物理量，并将物理量转成可读取信号。其中量子力学效应会根据被测量的参数不同而有所变化，比如量子纠缠、量子干涉等。量子传感器与其他的传感器最大的区别在于它在灵敏度方面的优越性。对于显微镜、定位系统、通信技术、电磁场测量、矿产勘探、地震学以及其他地球物理研究中，量子传感器都能够发挥其高灵敏的特性，未来将取代一部分经典的传感器。
量子通信是利用单光子量子不可克隆的原理，实现了基于原理上绝对安全的加密通信，在未来战争中具有举足轻重起到重要作用。目前加密通信主要依赖非对称加密算法来实现，尽管它的解算难度很大，但也不排除将来会有人能快速破解。而且量子通信不是依赖数学加密的复杂计算来达到安全加密的目的，它是一种物理上不可复制的量子信息，这使其无法通过数学方法来破译。
量子计算是借助于量子比特的叠加态和纠缠态，通过巧妙地设计量子算法来快速解决特定问题。目前，当我们面对复杂的数学、物理或化学问题，总是试图通过经典计算机运行经典算法以获得结果。然而经典计算机从原理上只擅长线性运算，即计算出一次结果后才能开始下一轮计算。量子计算借助于叠加和纠缠所带来的天然并行计算能力，能够快速计算出复杂问题的数值解。
图8 量子2.0技术将来有可能应用于军事领域。
Fig.8. Quantum 2.0 technology has the potential to be used in military applications in the future.
2021年10月28日，美国知名智库兰德公司发布了由美国国防部协助撰写的《量子技术的商业和军事应用及时间表》报告，该报告对量子技术的应用前景进行了分析。从分析结果来判断，量子2.0技术真正实现应用至少还需要5年。目前，量子2.0技术应用于战争还处于初期阶段，俄乌冲突中并没有明显展现2.0技术的实例，基本上还是围绕成熟的量子1.0技术进行较量。
表1量子技术的商业和军事应用及时间表。
Table.1. Commercial and military applications of quantum technology and timeline.
下文主要对量子2.0技术进行介绍，分别为量子传感、量子通信以及量子计算，并介绍它们在未来战场的一些应用方向。
3.1 量子传感
量子传感可以探测电磁波、电场、磁场和光等多种物理量。在军事应用中，具有一定前景的量子传感技术主要有以下几种：量子射频探测、量子鬼成像、量子雷达、量子磁力测量以及量子陀螺仪。下文将分别介绍它们的原理和应用范围。
3.1.1量子射频探测
技术简介：
量子射频探测是利用如人造里德堡原子等对电磁场敏感的量子系统作为探头进行射频探测的技术。里德堡原子只有一个电子处于高激发态且远离原子核及剩下的电子，可以通过激光激发普通原子实现人为制备。由于里德堡原子极化率大，对外场的响应极为敏感，因此利用其敏感特性可以探测出相应频率信号的变化。由于里德堡原子的能级对电磁场灵敏度高于天线，因此里德堡射频探测的灵敏度要比天线探测高出若干量级。实验室内的里德堡射频探测已达到55nV cm-1 Hz-1/2 的超高灵敏度，几乎是射频天线的灵敏度的1000倍。
此外，经典的天线射频探测需要各种尺寸的天线，不同频率的射频信号对应不同尺寸的天线。对于相同尺寸的天线来说，最灵敏的频段是波长在天线尺寸四到两倍范围内的电磁波频段。由于波长和频率成反比，所以每当需要探测的射频信号频率翻倍或减半，就需要更换一半或两倍长的探测天线才能保证一定的灵敏度，这对于电磁环境复杂的战场来说具有很大的局限性。而以里德堡原子为核心的量子射频探测器只需改变激发激光的频率便可覆盖整个射频范围，无需更换探头即可实现全射频频段的探测。这样使得一套射频探测设备的整体尺寸大大缩小，探测灵活度更高。
图9 里德堡科技公司（Rydberg Technologes）所展示的里德堡原子射频探测器。
Fig.9. The Rydberg Atomic RF Detector as presented by Rydberg Technologies.
军事应用举例：
目前美军基于里德堡原子的实验室探测器实现了对0至20GHz频率范围的射频探测，这频段属于战场常用的通信频段，如AM\FM 无线电、WiFi 以及蓝牙信号等。接下来美军试图将探测器进一步小型化，以便单兵搭载，预计将来有望能取代经典的天线测量，为士兵提供更便捷、更灵敏的射频信号探测。多个里德堡原子传感器与经典的探测方式相同，其阵列还可以检测信号的到达角，只要分散在不同位置的阵列相互通信就可以实现对射频信号源的定位。
3.1.2量子鬼成像
技术简介：
量子鬼成像是当今热门的量子成像技术，与经典光学成像最大的区别是，经典光学成像是接受到光子后才能产生电信号成像，而它可以对相机视线之外的物体进行成像。鬼成像只需要一个光源发射两束光，其中一束被观测物体反射出去，另一束会在自由空间传播。将两束光的光强信息进行对比，便可观测到物体的图像。一般情况下，只要成像光能照射到的地方都可以被成像，所以鬼成像可以实现一些经典成像技术无法实现的效果，譬如在完全黑暗的环境中成像。
军事应用举例：
如今量子鬼成像的研究更趋于实用化，可通过调节不同的光源和成像算法来满足不同场景的应用，譬如要判断丛林中是否藏有敌兵，便可通过红外光源获取更高的信噪比。此外，量子鬼成像还能穿透烟雾或者灰尘进行成像，譬如在荒野沙漠等恶劣的环境下也能获得比经典成像更清晰的图像。量子鬼成像虽然没法完全取代光学成像，但是与光学成像相配合就就能获取更全面的战场信息。
图10 对摄像头1公里外的窗口内两个汽车牌照进行成像，其中abd)是相机成像的对照图，c)和e)是鬼成像的对照图。
Fig.10. Imaging of two car licence plates in a window 1 km away from the camera, where abd) is a control image of camera imaging and ce) is a control image of ghost imaging.
3.1.3量子雷达
技术简介：
量子雷达是一种以纠缠光子对为基础，通过收发量子信号来探测目标及目标距离的新型雷达。雷达所产生的纠缠光子对中，两个光子偏振对称，其中一个探测光子射出后遇到目标时被反射回来，而另一个备份光子则一直保存在雷达处。当反射回来的光子与备份光子进行纠缠测量，即可获取目标的相关信息。由于使用的是单光子的偏振态，量子雷达能摆脱散粒噪声的干扰，其测量极限可接近海森堡极限，因此量子雷达的灵敏度远远高于经典雷达。
军事应用举例：
目前应用于军事领域的经典雷达都是通过发射电磁波照射目标，目标接收回波，然后通过分析回波特征和回波时间来判断目标与雷达的距离。然而鉴于经典雷达的工作原理，隐身战机上覆盖的隐身涂料能吸收大部分雷达所发射的光子，使雷达难以探测。隐身涂料通过吸收雷达发射的大部分电磁波以减少回波，既能帮助战机降低被雷达发现的概率，又能缩短战机被雷达发现的距离。而量子雷达不依赖于足够强度的回波作为分析依据，而是依赖于单个被反射回来的光子。尽管隐身涂料能吸收大部分量子雷达所发射的光子，但只需要少量反射光子被雷达获取后，通过高灵敏度的纠缠测量，量子雷达仍然能够获得隐身战机的信息和距离。
战机的另一种常见蒙蔽雷达的手段是发射干扰信号。通过发射大量和雷达电磁波一样的电磁波就会使得雷达在回波与干扰信号之间难以区分，进而丢失目标定位。而量子雷达是不受此类虚假信号的影响。由于每个探测光子都有对应的备份光子，而战机发射的光子是不可能有备份光子与之纠缠，在做纠缠测量时就能分辨出来。所以对量子雷达使用常见的蒙蔽雷达的手段是不起作用的。
3.1.4量子磁力测量
技术简介：
由于飞机、潜艇等大型军用装备是由钢铁制造的，它们能改变局部地球磁场的分布。采用高灵敏度的原子磁力仪能探测到这种微小磁场变化，进而能探测到飞机以及潜艇的大概位置。超导量子干涉仪（SQUID）是最好的磁力传感器之一，它是基于人造约瑟夫森结对磁场的敏感性制造的。但由于超导仅发生在低温环境下，即便对低温要求不太严苛的氧化钇钡铜（YBCO）材料也要在-178.15 摄氏度条件下才展现出超导，因此SQUID目前仍需要搭配液氮使用，其适用环境非常局限。而基于原子核自旋的原子磁力计虽然其精度暂时低于SQUID，但由于不涉及超导元件，未来在常温战场上会得到更广泛的应用。
军事应用举例：
高灵敏的磁力计除了可以对金属制造的军用装备进行磁探测外，还可以对地下和水底进行测绘，以探测地下军事设施、海底峡谷、海底火山和皱纹海底及其他战场水文环境。高灵敏度的磁力计出现，使磁力探测在未来战争中的重要性不亚于过去的射频探测和光学测量。
图11 SQUID（左）和原子磁力计(右)。
Fig.11. SQUID(L) and atomic magnetometer(R).
3.1.5量子陀螺仪
技术简介：
现代战争的定位离不开卫星，但当卫星信号难以抵达地下或水下时，仍然要依靠陀螺仪辅助定位。过去的陀螺仪基本是惯性陀螺仪，其准确度取决于加工精度。而基于原子核自旋的量子陀螺仪利用原子自身的自旋特性，其精准度取决于测量原子自旋的精度，因此量子陀螺仪的精准度可以达到常用微电机陀螺仪精准度的100到1000倍。
军事应用举例：
量子陀螺仪因发展较早，已被搭载到民用汽车上，为汽车在隧道或城市环境中提供精准定位。目前，量子陀螺仪在军事领域的应用更为广泛，无论是在恶劣天气下行驶的车辆、高速飞行的导弹及无人机，还是常年在水下的潜艇，都可以利用量子陀螺仪提高它们定位的精准度。
3.2 量子通信
技术简介：
量子通信是传递量子信息的通信手段，通常选用光子的某个量子态作为量子信息的载体。由于量子信息具有不可复制性，在密码学方面有着无与伦比的保密属性。因此量子通信主要应用于量子密钥分发，目前已实现洲际量子密钥分发。
图12 京沪干线配合墨子号可以实现洲际量子密钥分发。
Fig.12. Jing-Hu (Beijing-Shanghai) Trunk Line together with the Micius can realize intercontinental quantum key distribution.
军事应用举例：
①量子密钥分发
量子密钥分发是将已经实现的量子通信应用利用量子态搭载随机数密钥，将密文和密钥分别从经典信道和量子信道传送给接收者，实现密文保密的作用。目前主流的密文加密都是基于数学算法加密，通过复杂的算法把明文加工成密文，这种加密的安全性取决于加密算法。但从理论上来讲，任何算法都是有可能被计算机破解的。由于加密出来的密文在形式上会带有加密算法的特征，分析其特征就有可能推导出加密过程乃至整个明文。与量子加密不同的是，量子加密不是靠算法而是靠量子密钥本身的特性来达到保密的目的。量子密钥在形式上是一串和明文等长的随机数，利用随机数密钥加密的密文也属完全随机数。当密钥未知时，随机数形式的密文采用任何计算方式都是无法推导出具有特定含义的明文。因此密文被截获不会导致明文被破解。量子密钥是基于两种量子力学的基本特性，可以将随机数密钥绝对安全地分发：①量子态一旦被测量，它的状态就会发生变化，即每个量子密钥只能被正确读取一次；②目前从物理上还没有任何一种手段能在不破坏量子密钥本身携带信息的情况下，将其中的密钥信息复制下来。这两个特性确保量子密钥分发过程的绝对安全，进而确保密文的绝对安全。
②量子网络
量子通信还有另一种作用就是帮助量子计算机之间进行通信。量子计算机与经典计算机不同的是，量子计算机无法直接与互联网连接。目前所有可以登录互联网的量子计算机都需要一台经典计算机作为中继，将量子计算机的计算结果保存为经典数据，再上传到互联网。 这个过程会破坏量子计算的量子特性，从而导致无法实现多台量子计算机的分布式计算。而量子通信可以直接传递光量子信息，能将一台量子计算机产生的量子信息在不被读取的情况下传输到其他的量子计算机中去。
3.3 量子计算
技术简介：
量子计算是一种用量子比特进行量子算法运算的方式，其中一些特殊算法可以比经典算法快得多。目前常用的经典计算机都是用经典比特做逻辑门操作进行运算的，输入和输出都是经典的0或者1。虽然通过经典计算机的运算能得到准确的结果，但随着需要处理的问题越来越复杂，所需要做的逻辑门次数也会成倍增加，从而导致许多复杂的问题需要耗费很长的时间才能解决甚至无法解决。
与经典计算不同的是，量子计算具有天然的并行运算能力，可以实现指数级的算力提升。量子态具有叠加特性，可以利用叠加特性使量子比特处于0和1的叠加态，这样n个量子比特可以同时表示2n个态，每运算一次都会同时输入及输出一个含有2n数据量的量子比特数。这使得量子计算机在处理一些复杂问题时，能够用更短的时间来获得结果。譬如，如果要对2n个数进行傅里叶变换，使用经典的快速傅里叶变换算法，需要n2n次操作才能完成，而使用量子傅里叶变换算法只需要对n位的量子比特数做n2次操作即可。随着n的增长，经典算法所需要的操作次数将会远远超过量子算法。
然而量子计算机并不能完全取代经典计算机。从傅里叶变换的例子可以看出，量子计算机更擅长处理大计算量的并行运算、矩阵运算以及线性代数计算等，而对于低计算量的计算就未必有经典计算机快。因此将来量子计算机会专门用来解决复杂的数学问题。
与经典计算中的通用计算相类似，量子计算也有对应的概念。对于通用的量子计算，业内一般以DiVincenzo的5个条件作为判断依据：①特征好、可扩展物理系统的量子比特；②可将量子比特初始化至0的基态；③量子比特比门逻辑拥有更长的退相干时间；④可实现通用的量子逻辑门；⑤可测量量子比特并读取结果。其中量子比特通常由一个天然或人造的可操作量子系统组成，譬如超导线路、离子等等。初始化量子比特的操作与“归零”的操作相似，都是将原本状态不确定的量子比特全部调整至确定的0态或1态。退相干时间表示量子比特保持叠加特性的一种能力。由于受环境影响，量子比特的叠加态将缓慢衰退至确定的0态或1态，所以量子逻辑门的操作需要在退相干时间内完成才能确保最后读取的结果属于量子计算的结果。而量子逻辑门与经典逻辑门相类似，单个量子算法的过程可以拆分成多个门分步实现，而每个门又可以拆分成多个通用逻辑门。因此对一台量子计算机而言，只要能实现通用逻辑门即可，只用多个逻辑操作和数字操作就可以演变出各种各样的经典算法。最后，逻辑门运算出来的结果需要被读取出来，从初始化到读取的整个运算过程都需要在退相干时间内完成。
量子计算机与经典计算机在计算过程中有相似之处，但评估量子计算机的算力指标与经典计算机有所不同。经典计算机是在单位时间内以固定计算方式完成的运算次数作为评估标准，而量子计算机是以量子计算机参与量子算法的比特数以及其经过量子逻辑门的数量作为评估标准。按照这种方式来评估，量子计算机又可以分为小型机、中型机和大型机。小型量子计算机的算力远不如经典计算机，更多是作为实验室样机。而中型量子计算机就能与经典计算机相媲美，目前全球中型量子计算机的研制进度比较缓慢。至于大型的量子计算机仍处于概念当中，它研制成功后其算力将会远远超过目前的超级计算机。
量子计算机可以根据不同的物理实现方式分为若干种类。其中离子阱量子计算机和超导量子计算机是最有可能实现大型通用量子计算的技术路线。其中离子阱量子计算机所用到的分布式量子计算技术可以通过多台量子计算机中的量子比特与量子信道中的光量子比特相互纠缠、相互连接来实现量子计算，它的性能与多比特数的大型量子计算机处于同一水平。如5台20比特的量子计算机理论上可以实现100个量子比特，那么50台20比特的量子计算机就可以突破1000个量子比特。因此业内对量子计算机向中等规模的发展相当看好，未来5年内有希望看到中等规模的量子计算机实现量子算法。在较远的未来，由多台量子计算机组成的量子计算云将会是高效实现量子计算的解决方案。
军事应用举例：
①数学加密破解
如果将来量子计算机实现广泛应用，其算力将会威胁到目前各种主流的公钥加密体系，其中包括军事上的加密手段。目前的主流加密手段仍是基于复杂的数学算法，它需要经典计算机耗费很长的时间才能破解。但如果量子计算机参与加密破解，使用针对性的量子算法就可以大大减少破解时间。譬如破解当前主流RSA加密需要解算大质因数分解，使用经典计算机算法可能需要数亿年，而使用量子算法中的舒尔算法只需要几秒即可。面对未来成熟的量子计算机，现有的加密手段都形同虚设。此外，经典加密算法随着密钥位数上升，其解密时间往往呈指数级增长，而量子计算只需要成倍增加比特数和逻辑门数量即可，其解密时间只会随位数增长而成倍增长。因此将来在情报领域，量子计算将会是最强的矛，足以破解一切数学加密的密文；而量子通信是最强的盾，因为它不是通过数学算法加密，而是通过完全随机数加密。
②量子计算搜寻算法
量子计算的强大算力还可以给一些经典计算机赋能，譬如在庞大的数据库中搜寻需要的数据。在军事领域，随着战场搜集的数据量增加，经典数据搜寻算法难以做到快速搜寻。而量子搜寻算法可以利用量子比特的叠加特性减少搜寻的步骤，从而提高搜寻速度。目前的量子搜寻算法如Grover算法已经在实验室的小型量子计算机上实现了，它可以将原本复杂度为O（N）的搜寻问题降低到O（√N）。对于N越大的数据集，其搜寻速度的优势愈加明显。
4 结论与展望
如果说经典物理学支撑了工业革命，那么量子1.0技术也支撑了信息时代。从能量量子化思想中产生的能级概念已经成为实现激光和原子钟的原理，由多原子宏观系统所带来的能带理论可用于设计不同导电率的半导体器件。在微观量子领域，量子1.0技术所研制的设备无论是精度、稳定性还是性价比都比电气时代所研制的经典设备高出数倍，更是催生了如计算机和全球定位系统等全新设备的应用，而这些应用可以从根本上改变战争的局面。通过对量子1.0技术的分析，可以看出量子1.0技术对现代战争的形式产生了重大影响，并且在当今的俄乌冲突中得到广泛应用。
目前与量子1.0技术相比较，量子2.0技术仍然属于前沿科技，它通过主动控制和利用微妙的量子特性来实现多种应用，其中许多应用同时满足军民两用。但目前各国对量子2.0技术的研究进度各不相同，有些国家的技术已经用于实战，有些国家的技术还处于原理阶段。这说明了量子2.0技术仍属较新的赛道。随着量子2.0技术如量子传感、量子通信以及量子计算的发展，将会从根本上改变未来的战争形式。
图13 量子技术发展时间线
Fig.13. Timeline of Quantum Technology Development
21世纪上半叶，量子2.0技术仍处于早期阶段，各个国家在量子技术方面并没有明显的差距。未来10年乃至20年，到底哪个国家能在量子2.0技术方面形成垄断优势尚未可知。目前，通过实验已经证实了量子传感在部分领域应用表现出绝对优势。目前我国需要跟随全球量子2.0技术发展的大趋势，加大相关科研及产业的投入，才能避免在未来的战场上受制于人。
来源：网信前沿观察
