量子技术军事应用探析

张玉强，林国语，李立纬，肖本帅

（武警海警学院舰艇指挥系，浙江 宁波 315801）

自1900 年普朗克引入“量子”的概念之后，量子力学迅速发展成为现代物理两大支柱之一，其产生与发展给传统的科学理念造成巨大的冲击，量子力学不仅对超导电性、原子及原子核结构、半导体性质等给出了科学的解释，并促成了新技术、新功能、新材料的不断出现。可以说，现代物理学的分支及相关的边缘学科无一不是建立在量子力学基础之上的。量子技术在深刻改变人类对科学认知的同时，对军事领域的影响也愈加显著，传统的用时间争取空间或用空间争取时间的理念将会被改变，量子技术所突出的高节奏、高速度在战争中才能赢得时间和空间上的优势，取得最终的胜利。未来战场空地海数据汇集，各军兵种联合作战，使得大数据、大计算等成为战场制胜的关键因素之一，量子技术将在军事领域发挥优势，也将成为提高我国在高技术条件下的防卫作战能力、打赢未来高技术条件下的局部战争的主角，并不断改变战争的形态。

1 量子技术引发军事应用技术变革

量子纠缠、量子信息、量子计算、量子通信等研究成果在科学领域产生深远影响，特别是量子系统具有信息储存量大、读取速度高、保密性高等特点。世界各国特别是美、英、日等发达国家都从战略的高度部署量子技术的研究，以提升本国的军事实力。量子技术的发展也必然使现有武器装备的技战术指标和作战能力得到有效地提升，成为军事领域应用技术的新变革，这主要体现在以下几个方面。

1.1 提高保密性

信息安全与国家的政治、国防、商业、经济、金融等各个方面紧密相关，只有提高信息的保密性，才能在对方强大的信息攻势面前，构筑起坚固的信息屏障，确保国家权益不受侵犯。军事情报历来在战争中扮演着重要角色，军事信息的安全保密工作，事关国家利益和军队安全。

态叠加原理是量子技术在信息保密方面应用的重要的理论支撑，也是量子力学的基本原理之一，即若 1ψ是体系的一个可能态，2ψ也是体系的一个可能态，则是体系的可能态。经典计算机中0 和1 作为信息的基本单位，用0 和1 组成的字符来表示信息；量子计算机计算的基本单位是量子比特(qubit)，即必须用两个量子态代替经典比特状态0 和1，进入根号交换门代表逻辑0 和1 的两个量子比特会相互作用，产生一个纠缠态，即01 和10 的叠加态，即使它们被分开在没有相互干扰的情况下到达相距很远的位置，仍能保持相互纠缠，并且对距离很远的两个量子比特中的任一个进行测量的结果通常是高度关联的，也就是某个粒子的作用将会瞬时的影响另一个粒子，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。N个量子储存器与N个经典储存器分别能够储存2N个数和一个数，足以说明其强大的数据储存能力。量子比特与比特之间的比较如表1 所示。

表1 量子比特和比特的比较

之所以量子计算机在运行的过程中不能对量子态测量，是因为测量会使量子态发生改变，也就是对量子态的测量会对量子态本身造成干扰，物理上任何量子复制机都没法克隆出与输入量子态相同的量子态来，即未知量子比特不可能精确复制，使得每个复制比特与初始量子比特相同，不可复制性的根本原因是态叠加原理。在量子力学允许的范围内，无法精确复制一个未知的量子态，使复制的量子态与原量子态完全一致，量子技术在此领域可以展现其独特的优势，以确保军事信息的完整性、可用性、机密性和真实性，使信息在各个环节安全。

1.2 提高保真度

在高技术局部战争中，全部的武器装备都与微电子技术息息相关。如军舰当中电子设备占装备成本的22%、战斗车辆占24%、作战飞机占35%，导弹占45%，军用卫星占66%，自动化系统占88%。在高精度、高速度、小型化、复杂化及集成化驱使下，微电子技术发展日新月异，研究和生产尺寸早已达到纳米级，此时电路中的量子噪声不可避免的对信号的保真度和稳定性等产生重要影响。现在的科技水平已经使得在计算机的硬件设计中必须考虑电路及器件中的量子效应，如处于介观尺度的材料，尽管也含有大量粒子，但其系统尺度小于相干尺度，同一样本中的粒子保持相干运动，各个样本性质差异极大，系统的平均值不再有效的刻画系统中所有样本的性质，或者说存在很大的统计涨落。因此，降低电路及器件中的量子噪声，增加其在工作过程中的信号的保真度和稳定性显得尤为重要。

目前人们对微电路系统量子效应的研究取得了一定的进展，并对提高微电路工作过程中信号的保真度和稳定性起到了重要的促进作用。随着纳米技术的迅速发展，微电子器件的尺寸已达到了原子数量级，即将逼近极限，对电路量子效应进一步深入研究，尤其是对实现降低量子噪声研究，对半导体、量子信息、量子计算等技术的发展，无疑非常重要。

1.3 提高材料性能

量子材料属于一类新材料，它利用的是光的量子性能的一种技术，其结构尺寸在纳米数量级，此时物质的量子尺寸效应对材料性能的影响就成为不能忽视的问题。量子隐身材料，可以完全在不借助其他技术的情况下，通过弯曲光线达到隐形，甚至可逃过红外望远镜和热力学设备的追踪。

加拿大已研发出“量子隐形”衣，其通过反射穿衣着身边的光波，可以使穿衣人达到隐身的效果。目前的反雷达探测隐身技术受频率段限制，其主要针对的是厘米波段雷达。近年来随着红外、紫外探测器，处于毫米波段、米波段雷达等新型先进探测器不断出现，并陆续装备部队，这使原有的隐身方式在新式装备面前显得苍白无力。要想继续达到隐身的目的，这就要求隐身材料具备宽频带吸波特性，即同一种隐身材料能够对抗多种波段的电磁波源的探测。量子隐身材料用于侦查器材，可以对对方实施全方位、大纵深的立体侦查，及时掌握其兵力及武器部署情况，取得可靠的情报来源。可以有效提高作战胜算概率、出奇制胜，有效打击对方的有生力量，从而掌握战场上的主动权。

2 量子技术将改变战争模式

2.1 量子技术在军事应用中的发展

量子技术不仅深刻改变着人类对微观领域的认知，也对未来战争形态有着深刻影响，使未来战场上的作战方式、方法发生根本性的改变，并有力地改变着战争的面貌，影响着战争的结局。未来战争的特征主要体现在信息化、智能化、网络化和群组化等，这些鲜明特征的背后无不有着强大的科技支撑，而量子技术处于科技舞台的C 位，直接引发和推动着军事应用技术革命。二战末，德国就开始了对量子武器和反量子武器计划的研究，而且发展迅速。

20 世纪70 年代，英美已着手开始对量子计算进行研究；前苏联也一直在秘密地进行相关的研发试验，俄罗斯军队在谋划未来战争模式-脉冲战争后，对量子武器的研制提上日程。正如俄罗斯专家所要表达的那样：只要条件允许，俄军就能成功研制一种被称作量子武器的神秘设备，其性能远远优于世界上现有的类似产品。俄媒体称，目前俄已研制出一系列威力惊人的电子战武器，其中一种神秘的新式电子战武器可以放在一个小箱子里，能使一个中等国家或者整个地区能源系统陷入瘫痪。1997 年，美军正式提出“导航战”的概念。基于此，美国麻省理工学院于2001 年首次提出量子定位系统，量子定位系统是基于量子力学基本原理，利用量子纠缠、量子压缩等特征，通过量子信号的形式，来实现高精度定位要求的一种新型定位系统。

2.2 量子武器

将量子技术应用于军事，所生产出的量子武器能够大幅度提高弹头对目标的穿透力和破坏力、具有更强的杀伤力和破坏力，其威力会超过核武器。现代海战三大决胜武器：航空母舰、导弹、核潜艇将成为战场的配角，量子武器将成为战场的主宰，因为量子武器装备具有其他武器装备所不可及的优势，其威力也远超核武器。安装在舰艇上的量子武器，能够对任何有威胁的目标一扫而光，从而有效地震慑对方。另外，量子武器也能用来引发发电站、化工厂、武器库等的剧烈爆炸。

（1）反物质武器。所谓反物质，是与物质相对而言的，组成物质的微观粒子是分子（分子是由原子构成的）或原子，原子是由带正电的原子核和核外带负电的电子构成的；反原子则是由带正电的电子和带负电的原子核构成的，反物质就是由反原子构成的。当反物质与物质发生碰撞时就会将所有的质量转化为能量，放射出巨大的能量，所产生的爆炸力和破坏力极强。

（2）量子激光器。《自然·光子学》杂志刊发文章，美国科学家设计出一种高为2μm 的表面发射激光，能够实现单一芯片上的光学连接，这极大提高了新一代计算机微处理器上实现高速的数据连接，从而提高计算机的整体效能。激光器会使光子学与电子学共存于一个芯片上，使得制造可用于通信、计算、传感等多重功能的超级芯片成为可能，对计算机在数据处理、运输等有很大程度的提高。由于量子线和量子点跟量子阱相比具有更强的量子限制效应，所以量子激光器具有更低的电流阈值密度，更高的增益和特征温度等优越特性。

（3）量子卫星。随着2016 年8 月我国成功发射世界首颗“墨子号”量子科学实验卫星，预示着我国量子通信技术步入世界前沿。

量子通信可以突破现有信息技术的物理极限，在处理速度、安全保密、空间容量等方面将会发生质的飞跃，被誉为信息安全的“终极武器”。在战时，信息就是战斗力，也是战斗能力的关键因素之一，信息目标的得失成为战争取得成败的重要标志，从某种程度上讲，信息资源也是国防资源。量子通信是使用量子态作为信息的载体，并把量子纠缠作为信道，将该量子态由一地传送到另一地的一种通信方式，量子纠缠网络可用于局域量子因特网和分布量子计算，也可用于远程量子网络，实现量子的“云计算”。

量子通信之所以能够实现安全的保密信息，是因为量子密钥分发的无条件安全性，量子密钥分发的理论基础就是量子力学的量子态不可克隆定理和海森堡不确定关系；此外量子通信还具有抗干扰能力强、信噪比低，传输信息量丰富等特征。基于此，量子通信在对潜、对空等特殊通信应用领域，更能够发挥其无传输介质限制、高效、安全等独特优势。另外，量子精密测量，为高精度定位和导航提供了可能，可用于远海舰艇及潜水艇导航。

（4）量子计算机。量子力学在计算机中的应用使得量子计算机应运而生，其之所以引起计算机理论领域的革命，优势主要体现在量子并行算法上。例如用万亿次经典计算机分解300 位的大数需要15 万年，而万亿次量子计算机，只需要1s。量子计算可以加快某些函数的运算速度；量子因特网具有安全性，并集信息处理和传输于一体，可实现多端分布计算，降低通信复杂度。量子计算机的一般工作原理如图1 所示。其中，幺正变换操作需要使用量子算法进行量子编程。

图1 量子计算机工作原理

量子信息科学的核心目标是实现真正意义上的量子计算机和实现绝对安全的、可实用化的长程量子通信。众所周知，信息战是高新技术局部战争中的一种新的作战样式，其表现形式为战场上的信息对抗行动，其中保护好己方信息是信息战的基本特征之一。由于量子计算机在运行的过程中不能对量子态测量，因为测量会使量子态发生改变，即未知量子比特不可能精确复制，使得每个复制比特与初始量子比特相同，此性质有利的一方面是从根本上保证了无法窃听量子通讯信道，有效地杜绝了对方通过计算机渗透窃取己方情报的信息的目的，从而在信息战中夺取“制信息权”。

3 结语

强军兴军，归根到底要落实到提高军队战斗力这个根本上来，高端武器是高新技术发展的结晶。在战场上，科学技术就是战斗力，军事高技术的发展水平的高低将直接决定是否占据战场上的主动，以量子技术为核心的高新技术正以前所未有的广度和深度向军事领域渗透。量子技术在军事领域中的应用将对未来战争带来深刻影响，产生全新的战争理念。