引言
量子技术（QT）的基础是量子力学，这是一门有一百多年的学科。量子力学的第一批应用，被称为量子革命1.0，包括核裂变、激光、半导体等，其中量子行为的统计方面得到了利用。第一次量子革命曾经并仍然对社会的各个方面产生着深刻的影响，从军事和国际安全到原子武器、芯片、计算机和精确导航的发展。
现在，我们正在进入量子革命2.0，即QT，在已知物理的极限下，我们正在探索量子物理的全范围，即所谓的“奇怪”定律。在量子革命2.0中，我们利用单个量子系统的行为，如电子、原子、原子核、分子、准粒子等。QT不会引入根本性的新武器，就像发生在核武器和激光武器上的那样，而是改进和锐化目前的传感、通信和计算能力。虽然QT的大部分方面仍处于基础研究而非应用研究的形式，但我们可以预见几个高度相关的国防应用。
QT是先进国家长期国防规划的前沿，包括美国、中国、英国、澳大利亚、印度、俄罗斯、加拿大等。2021年2月，北约国防部长批准了新兴和颠覆性技术（EDT）战略，以促进开发和采用两用技术的连贯性，量子化技术是该战略所提倡的九个技术领域之一。
图：量子战争概念——使用各种基于量子技术的系统。
其他国际行为者正在积极地追求QT。例如，中国已经认识到QT的战略价值和潜在的决定性优势，而欧盟已经将QT标记为 "具有全球战略意义的新兴技术"，并指出它将被用于 "安全领域的敏感应用和双重用途的应用"。因此，很明显，QT将在世界各国的国防战略中发挥重要作用。
北约组织、机构和成员国正在积极研究QT，无论是理论上还是实验上，以应对固有的关键技术挑战。在2021年的北约峰会上，盟国领导人启动了北大西洋防务创新加速器（DIANA），其中一个分支专门研究QTs。重要的是，QT是北约ACT研究中感兴趣的一个主题。此外，北约科学和技术组织的研究 "2020-2040年科技趋势 "审查了北约QT的基础和期望，而北约国家军备主任会议讨论了QT的实施计划。
在此必须强调的是，大多数QT目前处于低技术准备水平（TRL），因此，很难准确预测实际性能、能力、所有可能的应用和时间表。这被称为 "科林格里奇困境"，适用于 "a）在技术被广泛开发和广泛使用之前，影响不容易被预测；b）当技术变得根深蒂固时，控制或改变很困难"。在本文中，我们旨在通过简要介绍QT的关键要素、它们的基本应用、在航空和航天领域的潜在效用，建立对QT的认识，并为实地QT设定现实的期望。
关键元素
为什么QT如此有趣和重要？从理论上讲，利用基本的量子物理学原理，可以使计算速度呈指数级增长，传感器的灵敏度有惊人的提高，以及前所未有的安全通信。总的来说，这些领域是由量子信息科学学科涵盖的。在我们考虑个别QT之前，我们必须了解一些基本原理。我们将进一步研究的对QT革命至关重要的特征是量子比特、量子叠加、量子纠缠、不可克隆原理和量子隧道。
量子比特，qubit，是经典信息比特的量子类比。经典比特只能有0或1的值，而量子比特是由一个量子状态描述的。量子叠加意味着一个量子位可以同时代表两种状态。这种行为对计算能力的提高有重要意义。用N个量子比特，我们可以代表2N个状态（即代表的状态数量随着量子比特的数量呈指数级增长）。请注意，当量子测量在一个量子算法的最后应用时，整个叠加只坍缩成一个状态。因此，我们必须多次运行一个算法，根据各个状态的统计分布得出结论。通过多次重复，我们可以达到指数级的速度。然而，这种计算能力的提高需要开发新的量子算法，并背离传统计算。还有许多技术上的复杂问题，挑战我们完成大规模量子计算的能力。
不可克隆原理指出，一个量子比特（或一般的任意量子状态）的量子数据不能被复制或克隆。一方面，由于需要更复杂的量子纠错，这对增加量子计算机的复杂性有重大影响。量子错误被间接地纠正，因为如上所述，对一个实际状态的测量将导致其被破坏。另一方面，它为不能被窃听的安全提供了前所未有的应用。入侵者的干扰将需要量子测量，这将导致量子塌陷到一个状态。这样的情况可以通过比较发送方和接收方的测量结果而轻易发现。
量子纠缠是另一个关键概念，指的是两个或多个量子比特之间的强关联，这种关联没有经典的类比。简而言之，对其中一个纠缠的量子比特进行任何量子操作，都会对其他相连的量子比特产生即时影响，而不考虑它们之间的距离或障碍。因此，量子纠缠是大多数QT的基本特征，使它们能够达到由海森堡不确定性原理定义的当前物理学的基本极限，也是许多量子算法的关键因素。
一般来说，量子比特和量子传感系统可以利用不同的量子物理特性来实现，如超导电子学中的电流流，偏振或光子的数量，或电子、原子核或分子的自旋或能量状态。所有这些量子系统都是非常脆弱的，许多系统只有在接近绝对零度（约-273℃）的温度下才能被操纵。因此，上述的量子特性不能直接应用于武器，因为即使是最轻微的干扰也会导致量子信息或量子传感器的敏感性丧失。有了对基础科学的这种基本认识，让我们考虑潜在的应用。
基本应用
为了正确理解潜在的好处，我们将把QT分为三类：量子计算，量子网络和通信，以及量子传感和成像。
量子计算代表了通用的可编程量子计算机，量子退火器（一种不完美的绝热计算），以及量子模拟器，它们可以提供比经典计算机更多的计算优势。然而，尽管人们普遍误认为处理速度的指数级增长会影响并接管所有经典计算机的任务和应用，但量子计算机只在某些高度复杂和具有挑战性的计算问题上才会有效。这类问题的例子有：量子模拟（化学和药物研究的分子模拟，新材料开发等），量子密码分析（破解大多数非对称加密方案，通常用于加密电子邮件，语音和视频通话，数据传输，以及远程访问内部网络），更快的搜索，更快地解决线性或微分方程，量子优化（如供应链优化，物流，投资组合，或定制药物），以及量子增强的机器学习。目前，量子计算用于实际部署至少还有十年时间，不会取代经典计算机。
图：量子技术在网络中的应用。
图：量子技术在C4ISR中的应用。
量子网络和通信旨在通过各种渠道传输量子信息（qubits），如光纤线路或自由空间通信。第一代量子网络中唯一的实际用途是量子密钥分发（QKD）。与传统的非对称加密（也称为公钥密码学）相比，QKD的一个重要优势是任何拦截或窃听的企图都会立即被发现。QKD在商业上可用于光纤，许多商业自由空间的QKD服务将在未来两到五年内推出。请注意，QKD经常被描述为不可破解的。然而，这只适用于正确实施的量子信息传输；由经典计算机控制的端点仍将是进攻性网络行动的目标。
下一代量子网络被称为量子信息网络（QIN）或量子互联网，它的不同之处在于分配纠缠的量子比特的能力。QIN将提供更多与安全有关的服务，如安全识别、位置验证和分布式量子计算。重要的技术应用也将导致高精度的时钟同步和网络化的量子传感器。QIN实施的最大障碍是需要可靠的量子存储器来存储量子信息，以便在有许多中间节点的网络中进行同步和分配。QIN可望在2030年实现。
量子传感旨在更精确地测量各种物理变量，如磁场或电场、重力梯度、加速度旋转和时间。改进的时间测量可用于更精确的时钟（被许多当前技术使用）、量子惯性导航、地下和海底勘探、更有效的无线电频率通信等。量子传感是最发达的QT（平均TRL最高），但部署的传感器的有效性仍然非常不确定。然而，军事应用需要一个具有低SWaP（尺寸、重量和功率）的便携式或移动解决方案。同时，量子传感器的空间分辨率也需要改进，因为它往往与灵敏度成反比。例如，从太空中探测一艘潜艇是可能的，但使用具有有用精度的量子传感器是不可能的，因为足够的空间分辨率将导致灵敏度不足。另一方面，一些量子传感器，如量子导航中的量子传感器，预计在未来五年内将在相关领域环境中进行测试。
量子成像是量子光学的一个子领域，与量子传感器（测量一些外部数量）相比，它是主动的（即一些信号被发射出来，其反射需要被检测）。对于任何传感器，信噪比（SNR）代表了其灵敏度的基本极限。然而，使用量子纠缠可以达到明显更高的信噪比，因为如果没有额外的纠缠知识，信号本身在背景噪声中可能是无法识别的。量子成像可以改进现有的技术，如量子雷达、三维相机、环绕相机、气体泄漏相机和低能见度视觉设备。
最后，后量子密码学（PQC），也被称为抗量子密码学，根本不是什么量子，而是目前非对称密码学的进化。PQC依赖于更先进的数学，即使对量子计算机来说，也更难计算。因此，PQC可以被简单地想象为现有系统的软件/硬件更新，尽管它们通常在计算上要求更高。原则上，永远无法证明PQC是完全安全的，因为新的经典或量子密码分析攻击可能发生。尽管如此，在可预见的未来，PQC仍将很快面世，并对量子攻击具有弹性。例如，根据NSA的建议，白宫在2022年发布了一份备忘录，为各机构开始迁移到PQC提供了方向，并在2035年之前全面实施。然而，美国国土安全部的目标是在2030年前迁移其系统。
空中和太空中的QT
与过去的其他技术一样，国防应用再次成为QT领域研究和发展的主要动力，特别是在美国和中国。虽然这种研究的大部分往往是保密的，但有几个概述和路线图，概述了空中和太空领域的潜在用例和想法。这些文件提供了对QT令人振奋的可能性的一瞥，以及它彻底改变国防工业的潜力。
尽管QT有很好的潜力和真正的转型愿望，但由于它的复杂性，非专业人员对它的理解仍然很差，其重要性往往被夸大和夸张。目前，由于大多处于实验室阶段，TRLs较低，使得对未来的效用、能力或它在未来将发挥的作用的现实估计变得复杂。
在这里，我们将介绍讨论最多的想法和在航空和航天领域的可能使用案例。
量子雷达是一种量子成像系统，其工作原理与经典雷达类似，但在单个光子层面上。从理论上讲，它具有各种优势，如更高的抗噪性、隐蔽性（极低的强度，因此，低的探测概率），以及可能的目标识别。量子激光雷达（光探测和测距）或雷达的原理已经在实验室中成功演示。然而，对许多类型的地基雷达至关重要的微波系统，目前看来是不可行的。然而，从中长期来看，光学系统中的天基量子激光雷达应用仍然是可行的。相反，更精确的量子或光学原子钟可以提高当前雷达和电子战系统的性能。
自由空间量子通信将是未来量子互联网的一个重要渠道，并将导致量子通信资产在空中和空间的更高存在。在未来五年内，自由空间量子通信不太可能成为军事或政府卫星通信服务的一部分，因为其实施需要新的基础设施和更多的投资。此外，目前的性能对于实际使用来说太低，而且量子网络的低密度使其非常脆弱。然而，量子通信将出现在空中和太空领域，主要用于研究和开发、概念验证演示以及实验性的，主要是商业性的应用。
随着可靠的量子存储器和高速率的量子光学技术的到来，情况将发生变化。然后，具有重要空间存在的量子互联网可能在2030年后开始建立。在未来，有机会实现量子通信与激光通信的重大技术重叠。激光通信将提供由量子通信保障的高速数据传输。目前，量子密码学被认为是PQC的次要发展工作。PQC是目前首选的解决方案，因为它可能只是一个软件的更新，具有更短的部署时间尺度，并且可以使用当前的经典网络或互联网基础设施。
QT最有趣的应用之一是情报、监视和侦查（ISR）。单个的QTs提供了各种传感和成像系统，大大改善了现有的ISR系统。此外，将量子ISR能力与传统能力相融合，通过利用两者的优势和抵消两者的弱点，可能导致ISR的一个新纪元。然而，充分实现这些可能性将取决于量子计算和通信。
量子磁强计和重力计是两个例子。量子磁力计检测磁场，如局部磁异常或弱的生物磁信号。量子磁传感器正在开发中，用于探测产生局部磁异常的金属物体，如地雷、简易爆炸装置、潜水艇、伪装车辆和穿墙旋转的机器。它们也可以作为水下导航的另一种方法。量子重力仪正在为地下监视系统开发，并为探测地下结构如洞穴、隧道、地堡、研究设施或导弹发射井进行测试。这两种传感器都可以部署在机载系统或低地球轨道的空间资产上。
最接近实际部署的QT是量子射频（RF）接收器。量子射频接收器具有更好的特性，如更宽的频带、更好的信噪比、更小的尺寸、更好的到达角检测、自我校准、没有金属部件产生额外的噪声、在光学系统中的输出允许更快的信号处理，以及对弱场和极强场的测量。在国防方面，量子射频接收器可以接收先进的低截获概率/低探测概率（LPI/LPD）通信和超视距射频信号，抗射频干扰和干扰，射频测向，以及太赫兹频率成像。在未来，量子射频接收器可以成为多种系统的标准射频接收器，如5G和物联网。量子射频接收器预计将同样有助于扩大我们的通信，改善对对手信号的检测，并校准现有的射频设备。
量子成像系统可以进一步服务于情报、监视、目标获取和侦察的作用。这包括全天候、昼夜的长/短程战术传感，主动/被动制度，以及隐形探测模式。它们可以在有云、雾、灰尘、烟雾和丛林树叶的环境中或在夜间作为低光或低SNR视觉设备工作；例如，协助直升机飞行员在有灰尘、雾或烟雾的环境中降落。
图：太空中的量子应用。
量子惯性导航是空中领域的另一项相关技术，类似于经典的惯性导航，但使用量子传感器。单个部件正在实验室和相关环境中进行测试，其稳定性足以用于军事用途。然而，创建一个完整的量子惯性测量单元仍然是一个挑战。一般的期望是，量子惯性导航将达到每月只有几百米的漂移率，而目前的海洋级惯性导航（用于军用船舶和潜艇）的漂移率为1.8公里/天。第一批用户可能是具有最少限制性SWaP参数的潜艇。随着时间的推移，我们可以期待更多的小型化和部署在飞机、无人机和导弹上。
量子计算在许多应用中具有巨大的潜力，如改进机器学习和人工智能，更好的空气动力学设计，更快的模拟等。所有这些都有望在ISR处理和指挥与控制等领域带来重大改进。然而，量子计算预计在10-20年以上才能投入使用，相比之下，量子通信需要5-10年以上，量子传感需要3年以上。
结论
从长远来看，量子技术在从传感到通信再到计算等广泛的应用中有着巨大的前景，但不应该认为在可预见的未来会彻底改变国防应用。
即使原理在实验室中被证明是成功的，但从实验室到现实世界的应用仍在进行中。要求，如低SWaP、移动性和成本，仍然是重要的限制因素。
出于一个很好的理由，QTs吸引了我们的注意力和想象力。在理论和实验室工作的基础上，我们对该技术及其在现实世界应用中的可能用途有了认识。为此，北约的作用是制定目标和标准，以鼓励发展和确保互操作性。同时，盟国必须投资于必要的研究，并寻找双重用途的机会，以加快发展和降低成本。有了这种认识，我们就可以在对所涉及的时间表和努力有现实了解的情况下追求QT的巨大前景。
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