量子技术+军事？这篇最新53页pdf《量子技术在军事中的应用》万字综述论文阐述未来量子战争形态 (附中文版）

2022 年 3 月 27 日 专知

【导读】量子技术是当下前沿技术之一。当量子技术与军事碰撞会有怎样的效应？

来自Michal Krelina撰写了关于量子技术军事应用的综述，共有53页pdf，提供了正在开发的量子技术的基本概述，还估计预期的交付时间范围或利用率影响。描述了量子技术在各种战争领域（例如陆地、空中、太空、电子、网络和水下战争以及ISTAR——情报、监视、目标获取和侦察）的特定军事应用。专知特别对此做了中文翻译，欢迎关注！以下为精简版，完整中英文版请上专知网站(www.zhuanzhi.ai)查看！

【作者】

Michal Krelina

1 捷克技术大学核科学与物理工程学院；
2 Quantum Phi s.r.o.公司。专注于量子技术的知识、原理、学术研究、工业及其应用，重点是在国防、空间和安全领域的应用。

【关键词】

量子战争、量子技术、量子计算、量子遥感、量子网络、量子雷达、量子成像、军事应用、量子安全、军民两用技术

【摘要】

量子技术是一门新兴且具有潜在破坏性的学科，能够影响许多人类活动。量子技术是两用技术，因此对国防和安全行业以及军事和政府行为者很感兴趣。本报告回顾并描绘了可能的量子技术军事应用，作为国际和平与安全评估、伦理研究、军事和政府政策、战略和决策制定的切入点。用于军事应用的量子技术引入了新的能力，提高了效率和精度，从而导致了“量子战争”，其中应该建立新的军事战略、学说、政策和伦理。本文提供了正在开发的量子技术的基本概述，还估计预期的交付时间范围或利用率影响。描述了量子技术在各种战争领域（例如陆地、空中、太空、电子、网络和水下战争以及ISTAR——情报、监视、目标获取和侦察）的特定军事应用，并阐明了相关的问题和挑战。

图1 利用各种量子技术系统的量子战示意图

1 引言

尽管第四代现代战争的特点是分散化和国家对战争失去垄断[1,2]，但先进国家军队的特点是可以使用最先进的军事技术。这包括即将出现的量子技术。

量子技术(QT)一词指的是主要源于所谓的第二次量子革命的技术。早些时候，第一次量子革命带来了我们今天所熟悉的技术，例如核能、半导体、激光、磁共振成像、现代通信技术或数码相机等成像设备。第一个量子技术产生了核武器和能源；然后，经典计算机发挥了重要作用。目前，激光武器正在实施和测试[3]。

第二次量子革命[4]的特点是操纵和控制单个量子系统（如原子、离子、电子、光子、分子或各种准粒子），允许达到标准量子极限；也就是说，在量子尺度上测量精度的极限。在本报告中，量子技术一词指的是来自第二次量子革命的技术。量子技术不会带来根本上的新武器或独立的军事系统，而是显着提高当前和未来军事技术的测量能力、传感、精度和计算能力以及效率。大多数量子技术通常是双重用途的技术。因此，量子技术的军事应用潜力巨大。各种研究和建议不断涌现，表明实现这种技术的可能性越来越大；例如，参见[5-8]。

本报告提供了一个更深入的背景来理解“量子战”这个术语，讨论了它影响情报、安全和国防部门的可能性，并描述了新的可能的能力或改进。目标不是提供基于量子技术的精确预测，而是展示实施和应用的可能方向和趋势。量子技术通常被认为是新兴技术，具有改变战争行为和战斗结果的潜力[8]。尽管当前的量子技术大多具有较低的技术就绪水平(TRL)，但它们被认为具有颠覆性潜力[9]。绘制量子技术可想象的军事应用对于进一步评估对全球和平的威胁以及讨论道德政策或基于量子的预防性军备控制也很重要。

本报告共分八节。在第2节中，定义了量子技术和量子战争的术语，介绍了量子技术的分类和量子技术。第3节提供了基本的量子技术概述，它是特定应用的基础，包括预期的部署时间和使用影响。第4节介绍了量子技术在军事领域的发展和部署的一般考虑和期望。在第5节中，单个量子技术在军事上的应用被介绍到不同的领域(如网络、水下、空间和电子战)。第6节确定并讨论量子炒作以及现实的可能性。第7节初步讨论了有关的军事、和平和道德方面以及技术后果和挑战。第8节对本文进行总结。

第5节和第4节涉及国家安全和国防问题。虽然第3节是基于最先进的研究并提供了相关的参考资料，但第5节更多地是基于各种军事或政府报告、政策简报和国际安全分析，如[5-8,10-13]。在这里，读者应该警惕围绕量子技术的炒作，避免夸大的期望;这方面在第6节和[14]中有论述。对于目前提出的许多量子技术军事应用来说，与高端军事技术需求相关的所有挑战是否会得到解决，甚至该技术是否会被实际部署，都是不确定的。

2 定义

量子技术一词的定义如下：

量子技术（QT）是一个新兴的物理和工程领域，基于量子力学特性——特别是量子纠缠、量子叠加和量子隧道效应——应用于单个量子系统，并将它们用于实际应用。

从定义来看，量子技术描述了量子力学系统的各种物理原理，具有众多应用；例如，捕获离子技术可以用作量子计算机的量子比特，也可以用作磁场或量子钟的量子传感器。

3 量子技术概述

本节提供了量子技术的基本描述以及相关参考资料。对于每种量子技术，都会显示当前的开发状态、确定的利用影响、估计的预期部署时间、并概述了主要挑战。对于量子计算应用，提供了所需逻辑量子比特的大致数量。

不同的量子技术及其应用处于不同的TRL从TRL 1（例如，某些类型的量子比特）到TRL 8（例如，量子密钥分发）。

我们在此不追求完整性，也不提供任何理论背景，而只是根据讨论的军事应用的需要介绍基础知识、效果和当前的发展状态。

3.1 量子信息科学

量子信息科学（QIS）是与量子物理学相关的信息科学，处理量子信息。在经典信息科学中，信息的基本载体是只能为0或1的比特。信息的量子信息基本载体是量子比特，简称量子比特。一个量子比特可以|0⟩要么|1⟩，或状态的任意复杂线性组合|0⟩和|1⟩称为量子叠加。

另一个关键特性是量子纠缠。量子纠缠是指两个或多个量子位（或通常是两个或多个量子系统）之间的强相关性，没有经典的类似物。量子纠缠是造成许多量子意外的原因。另一个特点是不可克隆定理[18]，它说量子信息（量子比特）不能被复制。该定理对量子比特纠错以及量子通信安全具有深远的影响。

量子信息科学描述了量子计算和量子通信中的量子信息流，尽管在更广泛的意义上它可以应用于量子传感和计量学，参见[19,20]。

有相当大的学术兴趣，并且已经创建了几种量子算法[21]。然而，预计只有少数对国防和安全应用有价值。

3.2 量子计算

现状:商业上可用的物理量子位数量非常有限
使用影响:新的能力，有效性，精确度
时间线预期:10年100万个物理量子位元
主要挑战:提高量子位的质量(相干性，抗错误性，门保真度)，提升量子位的数量，逻辑量子位

量子计算是指利用量子信息科学进行计算。这样的机器可以称为量子计算机。量子计算机的分类可能非常复杂。为本报告的目的，我们将分类简化如下：

数字量子计算机（也称为门级量子计算机）是通用的、可编程的，应该执行所有可能的量子算法，并具有如下所述的众多应用。经典计算机可以完全模拟基于门级的量子计算机。区别在于资源和速度。例如，完全纠缠的量子比特的模拟成倍地增加了对经典资源的需求。这意味着在经典（超级）计算机上几乎不可能模拟≳45个量子位。
模拟量子计算机（也称为哈密顿计算）通常使用量子退火（作为绝热量子计算的噪声版本）来实现。量子退火器与数字量子计算机的不同之处在于量子比特的有限连接性和不同的原理。因此，模拟量子计算机的使用受到更多限制，但仍适用于量子优化或基于哈密顿量的模拟等任务。
量子模拟器用于研究和模拟通常不太容易访问的其他量子系统，并且通常被构建为单一用途的机器。与量子计算机相比，量子模拟器可以想象成一个不可编程的量子电路。

3.3 量子通信和密码学

量子通信是指通过使用光纤或自由空间通道的量子网络进行的量子信息交换。大多数情况下，量子通信是使用光子作为量子信息载体来实现的。然而，由于光子的限制，例如远距离损失，量子网络包含其他元素，例如量子中继器或量子开关。

量子密码学的目标是用量子密钥分发的抗量子算法取代传统的（主要是非对称的）加密方案。用于量子通信的典型量子特征如下：量子纠缠、量子不确定性以及指出量子信息无法复制的非克隆理论[18,60]。

3.4 量子传感和计量

量子传感和计量是最成熟的量子技术领域，它改进了时序、传感或成像。例如，来自第一次量子革命的原子钟已成为全球定位系统(GPS)的一部分近半个世纪。当前的量子时钟正在提出更高的时间测量精度。

量子传感代表所有测量各种物理变量的量子技术，例如外部磁场或电场、重力梯度、加速度和旋转。量子传感器可以产生关于电信号、磁异常和惯性导航的非常精确的信息。

量子成像是利用光子相关性的量子光学的一个子领域，可以抑制噪声并提高想象物体的分辨率。量子成像协议被考虑用于量子雷达、在不透光环境中检测物体和医学成像。

量子传感和计量技术依赖于以下一项或多项特征：量子能级、量子相干性和量子纠缠[92]。单个量子传感器具有随应用而变化的各种指标。常用指标是：灵敏度（在1秒积分时间后给出统一信噪比的信号）、动态范围（最小和最大可检测信号）、采样率（对信号进行采样的频率）、工作温度、等。衍生的关键指标包括，例如，一定距离的空间分辨率和达到指定灵敏度所需的时间。典型的测量量是磁场和电场、旋转、时间、力、温度和光子计数。

4 国防中的量子技术

与工业或公共应用相比，军事技术的要求更高。考虑到战场上可能的部署，这需要更加谨慎。第5节介绍了具有不同 TRL、时间预期和多种实现风险的各种可能的军事应用。

对于易于实施并适合当前技术的技术，例如量子传感器，简单地说，我们可以用量子传感器代替经典传感器，这将更简单，风险更小。

相反，QKD是一种已经商业化但难以部署的技术的例子。需要许多新的硬件、系统和与当前通信系统的互操作性。因此，这项技术在军事部署方面具有更大的风险。

从长远来看，我们可以期待降低SWaP和扩大量子计算机和量子网络的优势。如果国家/军队想与其他国家/军队竞争边缘（量子）技术，这将使部署更容易并且可能是必要的。

4.1 量子策略

军事量子技术的未来用户将不得不仔细考虑是否、何时以及何时投入时间和资源。国防军的目标不是开发军事技术，而通常只是明确要求及其获取。但是，他们可以显着参与开发，特别是如果他们是最终用户。

作为基础，最好有一个由产业和学术机构组成的国家量子生态系统。这样的生态系统应在政府层面得到普遍支持，即制定国家量子计划，但也应激励为国防部门开发技术。这可以通过适当的赠款资金甚至各种主题挑战来实现，个人和初创公司可以参与其中，并可能带来新的颠覆性想法和解决方案。这自然会导致与工业界和学术界的更紧密合作。量子产业非常有趣，学术界和工业界之间有大量的合作。

第一步是建立量子技术路线图或量子战略。路线图/战略应详细说明所有后续步骤，从识别颠覆性量子解决方案、市场调查、技术和风险评估以及开发本身到原型测试和最终解决方案部署。路线图或量子策略可以由三个部分组成：

1.鉴别，

2.发展，

3.实施和部署。

最关键的部分是为所考虑的战争领域确定最有利和最具破坏性的量子技术。此步骤还包括技术和科学评估，以平衡技术风险（有限的可部署性、低于预期的性能或不可能从实验室转移到战场）与单个量子技术的潜在优势。这个识别过程应该循环重复，以便对新发现和破坏性解决方案做出相对快速的反应。重要的是要记住许多应用程序尚未被识别或发现。

下一步是通常的研发（R&D）过程。研发应在财政上得到充分支持，但官僚障碍也应降至最低。它应该涉及快速的开发周期，并与军事技术的最终用户密切互动（规格和性能咨询、原型测试、准备认证……）。在此阶段结束时，新系统应具备初始运行能力。

最后一步是达到全面作战能力，包括修改或创造新的军事学说，准备新的军事情景、战略和战术，充分发挥量子优势。

最后一点与识别阶段有关。在这里，决策者还需要考虑长远的观点。到目前为止，许多量子技术已经被单独考虑：传感器、QKD、量子计算等。但长期的愿景是考虑通过量子网络实现量子传感器和量子计算的互连。在这里，理论和实验工作展示了利用量子纠缠传感器和计算机的额外量子优势[77,78]。更多类似的应用可能会被发现或发明。在构建光纤/量子网络时要考虑这一点很重要。之后，可信中继器等当前元素可以被全量子中继器和交换机取代，从而充分发挥量子网络的潜力。

4.2 TRL 和时间范围

正如多次提到的，各种量子技术处于不同的TRL，从1到8不等。在考虑各种应用和部署平台时，尤其是用于军事目的时，TRL的变化和时间范围预期更加复杂。[ 150]中提供了一些TRL和时间范围估计。然而，根据本报告中的描述，一些估计，例如TRL 6 的量子精确导航，似乎过于乐观。

在这里，我们在表1中提供了我们自己的TRL和预期时间范围，这与这项工作的结果相对应。

表 1 TRL 和时间范围预期。这些期望反映了一般 TRL 而不仅仅是军事 TRL。请注意，各种量子技术在同一应用程序中处于不同的 TRL

读者可以将这些与[11,150]中的其他时间线进行比较。

实际的军事部署可能需要一些时间来克服所有技术障碍并满足军事要求。以用于地下扫描的量子重力仪为例。第一代可能会部署为放置在卡车上的静态传感器，并且范围/空间分辨率将相当低。随着时间的推移，下一代将提高灵敏度和空间分辨率。随着SWaP的降低，该传感器将能够被放置在飞机上，然后在无人机上，也许在LEO卫星上。然而，传感器的极限也有可能提前达到，导致部署变得不可能，例如在无人机或LEO卫星上。

4.3 量子技术对策

一个关于量子技术对策的独立部分是有必要的，尽管这个主题将被触及，例如在 Sect.5.6关于经典电子战的量子类比。该主题研究较少，很少有文本涉及该主题；此外，详细描述超出了本报告的范围。

简而言之，这个主题是指欺骗、禁用或破坏量子技术的方法和技术，无论是量子计算机、量子网络还是量子传感器和成像系统。量子技术利用了单个量子的量子物理特性。因此，它们非常容易受到来自环境的干扰和噪音的影响，因此可能会被欺骗或瘫痪。特别是关于量子网络，特别是QKD，我们谈到了与QKD本身携手发展的量子黑客攻击[151–155]。

量子战略的作者和决策者应该牢记，当量子技术部署在军事领域时，很可能迟早会出现各种对策。目前未知的是量子技术对策的可能有效性及其影响。

5 量子技术军事应用

量子技术有可能对人类活动的许多领域产生重大影响。对于国防部门来说尤其如此。量子技术可以影响现代战争的所有领域。第二次量子革命将提高灵敏度和效率，并引入新的能力和提高现代战争技术，而不是导致新型武器。

以下文字描绘了现代战争不同方面的军事、安全、太空和情报方面的可想象量子技术应用，如图1所示。它还提到了可能暗示量子技术能力和性能的工业应用，尤其是在没有关于军事应用的公开信息可用的情况下。

图1 利用各种量子技术系统的量子战示意图

重要的是要注意，许多应用仍然是理论多于现实。在实验室中取得的显着量子进步并不总是在实验室外产生类似的进步。除了工作实验室原型之外，从实验室到实际部署的转移还涉及其他方面，例如便携性、灵敏度、分辨率、速度、稳健性、低SWaP（尺寸、重量和功率）和成本。量子技术的实用性和成本效益将决定是否制造和部署特定的量子技术。

将量子技术集成到军事平台中更具挑战性。除了与民用类似的主要位于数据中心的量子计算机外，量子传感、成像和网络的集成和部署还面临着军事用途需求增加带来的若干挑战（与民用/工业或科学需求相比））。例如，精确导航的军用级要求需要快速的测量速率，这对于当前的量子惯性传感器来说可能是相当有限的。还有更多的例子，而且可能还会有更多的例子。

此外，这个领域还很年轻，新技术的惊喜，无论是好的还是坏的，都可能带来其他量子优势或劣势。

5.1 量子网络安全

关键点：

量子加密敏捷实施的必要性。
想要利用Shor算法的操作应该在部署量子安全加密之前开始收集感兴趣的数据。
QKD的实施需要仔细考虑。
在QKD中，端点将是系统中最薄弱的部分。

网络战中的量子优势可以提供新的，但一方面非常有效（具有指数加速），对当前非对称加密的攻击向量（基于整数分解、离散对数或椭圆曲线离散对数问题），并且，理论上，关于对称加密[90,156]。另一方面是新的量子弹性加密算法和方法，以及量子密钥分发。有关概述，请参见例如[157 –160]。

当前的趋势也是机器学习或人工智能在网络战中的发展和应用[161]。有关量子机会的更多详细信息，请参阅3.5.2 .

5.2 量子计算能力

关键点：

量子计算能力将随着逻辑量子比特的数量而增加。
最有可能的是，量子计算将被用作混合云的一部分。
小型嵌入式量子计算系统是直接量子数据处理的理想选择。
一般用于量子优化、ML/AI 增强和更快的数值模拟。

量子计算将为当前的经典计算服务引入新的能力，帮助解决高复杂度的计算问题。此外，除了上述量子模拟之外，量子计算还包括量子优化、机器学习和人工智能 (ML/AI) 改进、量子数据分析以及更快的数值建模[11,24]。在[10]中提出了可以用近期量子计算机解决的军事问题。它们是：战场或战争模拟；无线电频谱分析；物流管理；供应链优化；能源管理; 和预测性维护。

为了获得最有效的结果，未来的量子计算实施将与经典计算机一起在计算农场中实现，这将创建一个混合系统。混合量子经典操作系统将使用ML/AI分析要计算的任务，并将单个计算拆分为CPU、GPU、FPGA或量子处理器(QPU)，可以获得最佳和最快的结果。

例如，可以放置在自动驾驶汽车或移动指挥中心中的小型嵌入式量子计算机是值得怀疑的。当前最先进的量子比特设计需要低温冷却。因此，更多的努力应该集中在其他量子比特设计上，例如可以在室温下工作的光子、自旋或NV中心。嵌入式量子芯片可以执行简单的分析任务或用于与需要直接量子数据处理的量子网络应用相关的简单操作。尽管如此，自主系统和机器人技术的机器学习和模型优化也可以从“大型”量子计算机中受益。

量子计算在优化问题中可能是有效的[10,176,177]。在军事领域，量子优化的例子可以是海外行动和部署的物流、任务规划、兵棋推演、系统验证和验证、新车的设计及其属性，如隐身或敏捷性。顶部将是一个增强决策的应用程序，通过量子信息科学支持军事行动和功能，包括预测分析和ML/AI[178]。具体来说，量子退火器已经证明了自己在验证和验证复杂系统的软件代码方面的能力[179,180]。

量子计算机有望在指挥和控制 (C2) 系统中发挥重要作用。C2系统的作用是分析和呈现态势感知或协助规划和监控，包括模拟各种可能的场景，为最佳决策提供最佳条件。量子计算机可以改进和加速场景模拟或处理和分析来自 ISR（情报、监视和侦察）的大数据，以增强态势感知。这还包括量子增强机器学习和量子传感器和成像的参与。

量子信息处理可能对于情报、监视和侦察(ISR)或态势感知至关重要。ISR将受益于量子计算，它极大地提高了ISR捕获的信号和图像中过滤、解码、关联和识别特征的能力。尤其是量子图像处理是一个引起广泛关注和发展的领域。预计在短期内，态势感知和理解可以受益于利用神经网络的量子图像分析和模式检测[13]。

量子计算将增强经典机器学习和人工智能[54]，包括国防应用[178]。在这里，量子计算肯定无法进行完整的机器学习过程。然而，量子计算可以改进ML/AI机器（例如量子采样、线性代数、量子神经网络）。最近的一项研究[181]表明，量子ML仅对一些适合特定问题的内核提供了优势。原则上，量子计算可能会增强大多数经典的ML/AI国防应用；例如，自动化网络操作、算法目标、态势感知和理解以及自动化任务规划[182,183]。量子 ML/AI 最直接的应用可能是量子数据；例如，由量子传感或测量设备产生的数据[55]。实际适用性将随着量子计算机资源的增长而增长，八年后，量子机器学习/人工智能可以成为重要的量子计算应用之一[184]。这种适用性可以通过混合经典量子机器学习来加速，其中张量网络模型可以在小型近期量子设备上实现[185]。

通过量子神经网络，量子计算机有望提供卓越的模式识别和更高的速度。这可能是必不可少的，例如，在保护网络的仿生网络防御系统中，类似于生物有机体的免疫系统[13]。

此外，通过更快的线性代数（见3.2.5），量子计算有可能改进国防领域当前基于数值线性方程的数值建模，如兵棋推演模拟、雷达截面计算、隐身设计建模等。

从长远来看，量子系统可以启用网络量子启用能力（NQEC）[13]。NQEC是一个未来系统，允许各个单位和指挥官之间通过网络进行通信和共享信息，以快速响应战场发展和协调。量子增强可以带来安全通信、增强的态势感知和理解、远程量子传感器输出融合和处理以及改进的 C2。

5.3 量子通信网络

关键点：

各种安全应用（例如 QKD、识别和认证、数字签名）。
随着对所有新技术安全方面的仔细探索，安全应用程序的采用将很快发生。
量子时钟同步允许使用更高精度的量子时钟。
量子互联网是量子计算机和/或量子云之间最有效的通信方式。

量子互联网代表具有各种服务的量子网络[186]，这些服务不仅具有重要的安全性，而且具有重要意义。然而，许多进步的量子通信网络应用需要量子纠缠；也就是说，它们需要量子中继器和量子开关。回想一下，可信中继器只能用于QKD（参见第3.3.1节）。未来光纤和自由空间通道的组合将互连各种终端节点，如无人机、飞机、船舶、车辆、士兵、指挥中心等。

5.4 量子PNT

关键点：

所有量子 PNT 技术都有一个共同点，即对高精度量子时钟的需求。
量子惯性导航可以带来比其经典对应物高几个数量级的精度。
量子惯性导航可以通过使用量子磁或重力映射的量子增强导航进行扩展。
基于地球磁异常的有前途的量子导航。

量子技术有望显着改善定位、导航和授时(PNT)系统，尤其是惯性导航。时间标准和频率传输(TFT)是一项基本服务，可为通信、计量以及全球导航卫星系统(GNSS)提供精确计时。尽管目前的TFT系统已经很成熟，但光学原子钟或量子钟与利用量子网络的TFT相结合的性能[199,200]将跟上当前应用（通信、GNSS、金融部门、雷达、电子战争系统）并支持新的应用（量子传感和成像）。

新的基于量子的技术和方法支持开发用于PNT的灵敏精密仪器。量子优势将在GPS被拒绝或具有挑战性的操作环境中体现出来，从而实现精确操作。这种环境的示例是水下和地下，或GPS干扰下的环境。

当前的GNSS（GPS、GLONASS、伽利略、北斗……）依赖于通过单个卫星中的多个原子钟提供的精确计时，这些原子钟由地面上更稳定的原子钟进行校正。量子时钟的更高精度也将提高定位和导航的准确性。从长远来看，GNSS卫星应连接到量子互联网以进行时间分配和时钟同步。芯片大小的精确移动时钟可以帮助发现GNSS欺骗和欺骗[201]。

已经考虑和研究了一些量子GNSS（不仅仅是量子时钟）；例如，干涉式量子定位系统 (QPS)[199,202,203]。 QPS[202 ,203]的方案之一具有类似于传统GNSS的结构，其中有三个基线，每个基线由两个低轨道卫星组成，基线相互垂直。然而，尽管理论上定位的准确性令人惊讶，但必须进行大量工程才能设计出逼真的QPS。

当前的大多数导航依赖于GPS，或者一般来说是GNSS，这是最精确的可用导航技术。GNSS技术容易受到干扰、欺骗、欺骗或缺乏GPS的环境，例如使用高电磁频谱的人口稠密地区。此外，对于地下或水下环境，GNSS技术根本不可用。解决方案是惯性导航。经典惯性导航的问题是它的漂移，随着时间的推移精度的损失。例如，航海级惯性导航（用于船舶、潜艇和航天器）的漂移为1.8公里/天，导航级（用于军用飞机）的漂移为1.5公里/小时[204]。2014年，DARPA启动了MTO-PTN项目，目标是达到20 m和1 ms/小时的漂移[205]。即便如此，一些期望值非常高，即量子惯性导航将提供每月仅约数百米的误差[5,206]。

全量子惯性导航系统由量子陀螺仪、加速度计和原子/量子钟组成。尽管量子惯性导航所需的单个传感器在实验室外进行了测试，但创建完整的量子惯性测量单元仍然具有挑战性。对于高度移动平台的导航，传感器需要几个100 Hz的快速测量速率，或者提高量子传感器的测量带宽[204,207]。最需要改进的关键部件是低漂移旋转传感器。经典的惯性传感器基于各种原理[208]。一种常见的芯片尺寸技术是MEMS (Micro Electro - Mechanical Systems)技术，其中MEMS陀螺仪的不稳定性达到约

，适用于军事应用[99]。目前最好的冷原子陀螺仪的不稳定性极限约为

(积分时间为1000 s)[209]。与现有实验室实验的精度相比，不确定性在于可现场部署的量子传感器的精度。经典和量子惯性导航之间的中间步骤可以是融合经典和量子加速度计输出的混合系统[210]。随着量子惯性导航设备的尺寸减小到芯片尺寸，可以预期其部署在较小的车辆上，尤其是无人驾驶的自动驾驶汽车或导弹上。但是，我们可以达到的小型化是未知的。对于芯片大小的量子惯性导航存在诸多疑虑。尽管挑战很大，但它无疑是下一代技术。

目前，陀螺仪或加速度计等单个元件也在各种平台上进行测试；例如，在飞机[211]或最近的[212]上。

多年来，美国国家海洋和大气管理局(NOAA)一直在绘制地球磁异常图并创建磁异常图。将灵敏的量子磁力计与地球的磁异常图结合使用是另一种实现量子非GNSS导航的方法 [213,214]。

引力图匹配[215]的工作原理类似，人们可以期待使用量子引力计提高性能。量子重力仪和磁力仪一起可以成为潜艇量子增强导航的基础，尤其是在海底峡谷、褶皱海床或沿海环境中。

一般来说，量子惯性导航或增强导航具有巨大的潜力，因为不需要GPS、红外或雷达导航，而且它不易受到干扰或一般电子战攻击。然而，“不需要 GPS”的说法并不十分准确。这些系统的初始位置总是需要一些外部输入，很可能来自GNSS。

5.5 量子ISTAR

关键点：

量子计算的密集参与以收集和处理信息。
期望在低轨道卫星上部署，但分辨率值得怀疑。
海底作业的广泛应用。
预期具有不确定分辨率的先进地下监视。
新型 3D、微光或低信噪比的量子视觉设备。

5.6 量子电子战

关键点：

通过更小的通用量子天线、精确的定时和先进的射频频谱分析仪来增强当前的电子战。
量子通道检测的问题。
当量子通道被定位时，会考虑和开发几种类型的攻击。
量子电子战（EW）可分为量子增强经典电子战和专注于对抗、反对抗和支持量子通道的量子电子战。量子通道是指携带用于量子互联网、量子雷达或使用自由空间或光纤通道的其他量子系统的量子信息的任何光子传输。

5.7 量子雷达和激光雷达

关键点：

现有的量子微波技术不太可能实现远程监视量子雷达。
光学领域的可能应用——量子激光雷达。
量子雷达可用于太空战。

对量子雷达话题的认知[141,243,244] 受到媒体对中国量子雷达发展的炒作[245,246] 或乐观的实验室实验的影响。确实，量子雷达的理论优势和特点是显着的（其中一些取决于单独的量子协议）：

更高的抗噪声能力——即更好的SNR（信噪比）——更高的抗干扰能力和其他电子战对抗能力；
基于单个光子；即输出信号功率太低，电子战措施看不到；
目标照明；也就是说，可以识别目标的雷达。

5.8 量子水下战

关键点：

潜艇可以成为量子惯性导航的首批采用者之一。
量子磁力计作为探测潜艇或水下水雷的主要工具。

5.9 量子空间战

关键点：

对长距离量子通信很重要。
近地轨道对于未来量子传感和成像技术的部署将很重要。
太空战将导致新的量子雷达/激光雷达和量子电子战技术部署在太空中。

5.10 化学和生物模拟与检测

关键点：

∼ 200 个量子位足以进行化学量子模拟研究。
实现更复杂模拟的能力随着逻辑量子比特的数量而增加。
空气或样品中的化学物质检测。
适用于探测爆炸物和化学战剂。

5.11 新材料设计

关键点：

一般研究影响；例如，允许高精度SQUID磁力计在不冷却的情况下运行的室温超导可以对军事量子技术应用产生显着影响。
国防工业研究伪装、隐身、超硬装甲或耐高温材料。

5.12 脑成像和人机交互

关键点：

量子启用的脑磁图
增强的人机界面

6 乐观与悲观

上面提到的许多量子技术军事应用听起来非常乐观，可能会导致夸大的期望。一些应用取自各种报告和报纸或杂志文章，其中作者可能高估了从实验室到战场的量子技术转移或受到一般量子技术炒作的影响[288]。当话题涉及国家安全或国防时，避免夸大预期尤为重要。这个问题已在[14]中描述。

上述量子技术军事应用基于公共领域的最新研究，并辅以有关国防应用的各种报告和报纸或杂志文章。没有针对几种技术对其可行性进行批评性评论，因为没有相同的公开信息。在这些情况下，读者应该更加小心和挑剔，直到获得更详细的研究。

另一方面，众所周知，大型国防公司和国防实验室已经进行了几年的量子研发计划。但是，只有一些详细信息是公开传达的。相反的极端似乎包括公告，例如来自中国的公告 [245,246,263,273]，在这些公告中，很难将真正的研究进展与国家的战略宣传[289]分开。

对于许多提到的量子技术，迄今为止只提供了实验室的概念证明。决定量子技术是否会在实验室外普遍使用的决定性因素是组件的小型化和对干扰的敏感性。这些改进不能以牺牲灵敏度、分辨率和功能为代价。实际部署的另一个决定性因素是技术的价格。

总之，考虑到过去几年量子技术研究和支持系统的进步，例如激光和低温冷却的小型化，对未来的量子技术军事应用持乐观态度而不是悲观是合理的（从军事的角度来看）或政府行为者）。需要注意运营部署中的实际能力，看看它们是否满足要求，以及性价比是否可以证明采购和部署的合理性。

7 量子战的后果和挑战

用于军事应用的量子技术的开发、获取和部署将带来新的相关挑战。量子战的概念将对军事战略、战术和理论、伦理和裁军活动以及技术实现和部署提出新的要求。应该进行研究以了解量子技术发展产生的问题、影响、威胁和选择，而不仅仅是为了军事应用。

8 结论

量子技术是一个新兴的技术领域，它利用对单个量子的操纵和控制来实现具有颠覆性潜力的多种应用。这些应用中有许多是双重用途或直接用于军事目的。但是，从TRL 1（观察到的基本原理）到TRL 6（在相关环境中展示的技术），单个量子技术处于用于军事用途的 TRL。

用于军事应用的量子技术不仅将提供改进和新的能力，而且还需要制定新的战略、战术和政策，评估对全球和平与安全的威胁以及识别道德问题。所有这些都包含在“量子战”一词中。

在本报告中，描述了不同TRL的各种量子技术，重点关注在国防领域的可能利用或部署。由于从实验室到现实世界应用的过渡尚未实施或正在进行中，因此无法准确预测量子技术的部署。这引发了一些问题，例如我们是否能够达到提供真正量子优势的解决方案，而经典系统通常要便宜得多，而且通常已经在行动。尽管对量子技术可能的军事应用的描述听起来非常乐观，但人们应该警惕量子炒作，并提请注意实际部署量子技术用于军事应用之前面临的挑战。

量子技术有望产生战略和长期影响。然而，技术意外影响军队和国防力量的可能性相当低。避免意外的最好方法是培养量子技术知识和监控量子技术的发展和就业。用心对待量子技术，将起到量子保险的作用。

【中文完整版下载】专知便捷查看地址