颠覆未来作战的前沿技术系列之量子信息技术

陈 兴

颠覆未来作战的前沿技术系列之量子信息技术

陈 兴

科学家预测：在21世纪，信息科学将从经典时代跨越到量子时代。量子信息技术是量子物理与信息技术相结合的战略性前沿科技，因其建构于颠覆性的堪比相对论的基础理论—量子物理之上，从而极富神秘气质，主要包括量子通信、量子计算、量子探测等领域。量子信息技术在确保信息安全、提高运算速度和探测精度等方面具有颠覆性的影响，是目前最引人瞩目的前沿技术领域之一。正如相对论造就了核动力与核武器，量子信息技术造就的量子计算机、量子通信、量子雷达等，势必在未来重新涂抹战争的面孔。

超强能力—量子计算

传统的二进制计算技术以“0”和“1”为基础，进行二进制计算和逻辑判断，因此普通计算机中只存在两种状态。量子计算是利用量子态的相干叠加性进行编码、存储和计算的一种新兴计算技术，基本信息单位是量子比特。在信息长度都为N时，量子位的存贮容量是传统信息位的2N倍，量子计算速度是传统计算速度的2N倍。从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可以存储的数目达2250，比现有已知宇宙中的全部原子数目还多。

量子计算机是存储及处理量子信息、运行量子算法的装置，突出优点是存储能力强、运算速度快。传统计算机采用单路串行操作，而量子计算机采用多路并行操作，它们运算速度的差异，就如同万只蜗牛排队过独木桥与万只飞鸟同时升上天空的区别。

当前，量子计算研究受到了全世界的关注，世界主要军事国家正在以巨大的热情追寻着它。美国为推进量子计算芯片研究，启动了“微型曼哈顿”计划，这表明美国对量子计算的重视程度不亚于核武器。日本和欧洲也启动了类似计划。2014年1月，斯诺登披露美国国家安全局正在研制能破译多种密码的量子计算机，代号为“攻克难关”和“掌握网络”两个秘密项目。

迄今为止，世界上还没有严格意义上的量子计算机，但量子计算已经取得了多项重要进展。2011年5月11日，加拿大D-Wave公司发布了号称“全球第一款商用型量子计算机”的计算设备D-WaveⅠ；2013年10月，以全新超导处理器为基础的512量子比特D-Wave Ⅱ商用型量子计算机通过测试，开始服务于美国国家航空航天局的量子人工智能实验室，极大提高了运算速度。

如何产生出高纯度的硅晶体，一直是量子计算的重要问题。2014年，美国宣布研制出了世界上纯度最高的硅晶体，硅28的含量为99.9999%，解决了量子高速运算的关键问题。

在军事应用方面，量子计算具有广阔的前景：一是运用量子计算快速破译现有密码体系，对现有的以数学为基础的密钥体系形成整体颠覆，从而掌握信息主动权。破译现有密码体系，经典计算需要1000年，而量子计算只需花不到4分钟。因而有科学家宣称：“没有量子计算机的国家与拥有它的国家进行战争，就像一个瞎子和一个明眼人打架。”二是运用量子计算可以对海量情报数据进行实时分析处理，进一步提升作战评估与决策能力。三是运用量子计算可以有效解决高性能、大数据计算问题，可加快导弹攻防系统、新一代空海作战平台、军用航天装备等复杂武器系统的设计和试验进程，缩短建模仿真时间，有效提升武器装备的研发效率。

跨越时空—量子通信

量子通信是利用量子力学基本原理或量子特性进行信息传输的一种新型通信技术，主要包括量子密钥传输和量子隐形传态两种技术。

量子密钥传输 量子计算颠覆了传统密码，但是同时量子信息提供了一个传输守护神，即一种理论上无法破解的密码—量子密码。量子密码利用量子态不可复制的特点，解决了密钥传输的安全问题。其具体原理是，甲方利用量子通信把密钥发送给乙方；如果在甲乙双方传送密钥的过程中，有窃听者丙方企图经由探测窃取密钥，必定会破坏粒子的量子态，从而产生误码；甲乙双方通过抽样对比就可以确认该密钥是否被窃听过；当证实密钥未被窃听后，再用这个密钥通过实施“一次一密”进行加密。量子密钥从理论上提供了一种不可窃听、不可破译的绝对安全的密码体制。因此，量子密码具有绝对安全性，它在军事上拥有广阔前景。由于量子密码具有不可破译和窃听可知性，且量子加密设备可与现在的光纤通信设备融合，因此可以用来改进目前军用光网的信息传输保密性，从而提高信息保护和信息对抗能力。

近期，量子密钥领域取得了一系列重大进展，技术日益成熟，已有部分实际应用，但传输距离依然受限。2007年，由奥地利、英国、德国等组成的联合小组创造了144千米的量子密钥通信距离纪录；2013年4月，德国研究人员采用激光束发射系统，实现了空地量子密钥传输，试验中密钥传输速率为145量子比特/秒，通信链路持续时间8分钟，误码率仅4.5%。

量子隐形传态 真正意义上的量子通信是利用量子信道传送量子信息，主要依靠量子隐形传态方式实现。量子隐形传态是以量子态作为信息载体，利用量子纠缠效应，使量子态从一个地方传至另一个地方。

商用型量子计算机D-Wave

现实生活中，两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事，这种神奇现象可谓“心灵感应”。与此类似，所谓“量子纠缠”，是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态也会随即发生相应变化。量子隐形传态的基本原理是，将由一个源产生的两个相互纠缠的粒子分发到通信双方，其中一方对粒子做量子态测量，在该粒子的量子态确定的同时，通信另一方的粒子会产生感应，量子态立刻变为被测量粒子的量子态，实现信息传输。

量子通信有着不可思议的优势。首先，信息在两位通话者之间的传输根本不需要时间，完全同步，无论这两人相隔的距离是100千米、100万千米，还是100光年。其次，量子信道中光子的信息效率，比传统信道高几十倍。最后，量子通信没有电磁辐射，任何无线电探测系统都对其无能为力，从某种意义上说，量子通信在现有理论环境中实现了绝对隐身。

量子通信示意图

神秘的量子纠缠现象

在国防和军事应用方面，量子通信有着无与伦比的灿烂前景，可以利用量子隐形传输、超大信道容量、超高通信速率等特点，建立满足军事特殊需求的超光速军事信息网络，这与要求苛刻的军事通信简直是天作之合。量子通信更能够应用于深海安全通信，当前使用的对潜通信系统规模庞大，通信质量差，效率低，造价高，严重影响水下通信的质量。量子通信因其与传输媒介无关，不受海水影响，获得可靠通信所需的信噪比比光、电等传统通信手段低30～40分贝左右，为远洋深海安全通信开辟了一条崭新的途径。

目前，量子隐形传态虽然有了一些新的突破，但距离实际应用依然遥远，面临纠缠光源获取困难、传输成功率尚不能满足实用要求等问题。

量子罗盘

无处遁形—量子探测

量子探测是利用量子纠缠和叠加特性，对物体进行测量或成像。目前，量子探测的热点主要集中在量子成像、量子雷达、量子传感等领域。虽然这些技术的成熟度较低，但是其潜在应用将对未来作战模式产生深远影响，可真正实现全天候、反隐身、抗干扰作战。

量子成像 量子成像是利用量子光场实现的一种超高分辨率成像方法，基本过程是将光源产生的光束输送到两个不同的光学线性系统中，在其中一个光学系统中放置物体和点光源探测器，在另一个光学系统中只放置一个高分辨率探测器，通过将点光源探测器得到的光强度与高分辨率探测器得到的图像进行强度关联，就可以获得物体的像。由于量子成像可通过一定的手段，在没有物体的光路上得到物体的像，因此这种成像方式又被称为“鬼成像”。

由于量子成像技术受障碍物、烟尘雾霾、大气湍流等环境因素的影响较小，其在战场上的潜在应用引发了国外军事强国的关注，尤其是美国陆军，早在2003年就开始研究量子成像技术。2013年，美国陆军研究实验室申请了“用于图像增强和改进的系统与方法”的创新技术专利，该专利是关于在红外波段进行量子成像的技术。同时，美国陆军实验室还进行了距离2.33千米的红外量子成像测试，在低光和气流紊乱情况下获取了非常清晰的图像。2014年，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所、维也纳量子科技中心和维也纳大学研究人员，开发出一种全新的违反直觉特征的量子成像技术，首次实现了无需探测光照射被拍摄物体便可获得物体图像，光不需接触被拍摄物体即可显示图像。

量子雷达 量子雷达是基于量子纠缠理论，将量子信息调制到雷达信号中，从而实现目标探测的一种设备，主要包括单光子量子雷达、纠缠光子量子雷达及量子激光雷达。量子雷达的灵敏度远远高于传统雷达，可以探测到目前最先进的隐形目标。目前，量子雷达技术的相关基本理论已经成熟，但受量子雷达关键技术及器件性能的限制，技术上还处于探索阶段。量子雷达为反隐身提供了一种全新的技术发展途径，在探测隐身目标方面具有重大的发展及应用价值。例如，如果有一架隐身飞机通过拦截光子并重新发送虚假信号实现隐身，那么只要雷达回波仅相当于一只鸟的大小，就可以掩盖自身的真实位置，但量子雷达在这一欺骗过程中可以轻易发现飞机的踪迹。2012年12月，美国罗切斯特大学研究所披露了利用量子增强型激光雷达对隐身目标进行探测的试验情况，这次试验证明了量子雷达不仅能探测到隐身飞机，还能探测到具有欺骗能力的隐身飞机。

量子传感 量子传感是利用量子信号对环境变化的极高敏感性，提高测量精度的一种新型传感方法。美国国防高级研究计划局正在开展的“生物环境中的量子效应”项目，利用生物环境量子效应研究电磁噪声对鸟类内部磁罗盘的干扰，有助于新兴仿生传感器、先进人造传感器的研制。2013年7月，美国陆军利用激光冷却原子的方法实现了在量子传感器领域的突破，大幅提高了全球定位系统拒止环境下的导航和探测能力。2014年，英国国防科学技术实验室开发出“量子罗盘”导航系统原型机，其具体原理是，通过把一些离子“囚禁”在超低温状态，并减少外部电波造成的影响，使被囚禁的离子仅对地球产生的电磁扰动敏感，通过测量地球产生的电磁扰动对这些离子的影响，就能以极高精度实现导航和定位功能。目前，科学家把主要精力用于将该设备的小型化，以便用于战场。

结 语

战略博弈的赢家，只能是那些见一叶而知天下秋，并立即付诸行动的智者。作为一种战略性前沿技术，量子信息技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景，对于国家安全具有重大战略意义。面对量子信息技术的机遇与挑战，只有尽早规划，提前部署，才能在未来战争中占据先机和主动。正如制空权理论的建构者、意大利军事家杜黑的名言：“胜利只向那些能预见战争特性变化的人微笑，而不是向那些等待变化发生才去适应的人微笑。”

责任编辑：葛 妍