国防量子技术入门：军用方向、美国政策

量子技术将量子物理学原理转化为技术应用。总体而言，量子技术尚未达到成熟阶段，但它对未来的军事传感、加密和通信以及国会监督、授权和拨款都会产生重大影响。

量子技术的关键概念

量子应用依赖于一些关键概念，包括叠加、量子比特（量子比特）和纠缠。叠加是指量子系统同时存在于两种或两种以上状态的能力。量子比特是一种利用叠加原理编码信息的计算单元。(经典计算机用比特编码信息，比特可以代表 0 或 1 的二进制状态，而量子计算机用量子比特编码信息，每个量子比特可以同时代表 0、1 或 0 和 1 的组合。因此，每增加一个量子比特，量子计算机的功率就会呈指数级增长）。

美国国家科学院（NAS）将纠缠定义为一种特性，即 “一个系统中的两个或多个量子对象可以内在地联系在一起，这样，对其中一个对象的测量决定了对另一个对象的可能测量结果，无论这两个对象相距多远”。纠缠是量子技术许多潜在军事应用的基础。然而，由于量子态的脆弱性，叠加和纠缠都难以维持，微小的移动、温度变化或其他环境因素都可能破坏量子态。

量子技术的军事应用

美国国防部（DOD）的一个独立科学顾问委员会--国防科学委员会（DSB）认为，量子技术的三种应用对国防部来说最有前景：量子传感、量子计算机和量子通信。DSB 认为，量子雷达假设能够识别物体（包括低可观测性或隐形飞机）的性能特征（如雷达截面、速度），但 “不会为国防部提供升级能力”。

量子传感

量子传感在传感器中使用量子物理学原理。据 DSB 称，这是量子技术最成熟的军事应用，目前 “已准备好用于任务”。量子传感可以增强军事能力。例如，它可以提供替代的定位、导航和定时选项，理论上可以让军队在全球定位系统降级或全球定位系统失效的环境中继续全力作战。

此外，量子传感器还可用于情报、监视和侦察（ISR）。成功开发和部署此类传感器可显著提高潜艇探测能力，进而降低海基核威慑力量的生存能力。量子传感器还能使军事人员探测地下结构或核材料，因为它们预计 “对环境干扰极为敏感”。量子传感器的灵敏度同样有可能使军队探测到电磁辐射，从而增强电子战能力，并有可能协助定位隐蔽的敌方部队。

量子计算机

美国国家科学院称，“量子计算机是唯一已知的计算模式，可以比现在的计算机提供指数级的速度”。虽然量子计算机还处于相对早期的发展阶段，但其进步--其中许多是由商业部门推动的--可能会对人工智能（AI）、加密和其他学科的未来产生影响。

例如，一些分析家认为，量子计算机可以促进机器学习（人工智能的一个子领域）的发展。这种进步可以促进模式识别和基于机器的目标识别的改进。这反过来又能促进开发更精确的致命自主武器系统，或无需人工控制或远程操作就能选择和攻击目标的武器。人工智能支持的量子计算机有可能与量子传感器配对使用，进一步增强军事 ISR 应用。

此外，量子计算机有可能解密存储在加密媒体上的机密信息或受控非机密信息，从而使对手获得有关美国军事或情报行动的敏感信息。一些分析家指出，要破解当前的加密方法，可能需要在量子计算方面取得重大进展。他们估计，要破解目前的加密方法，需要一台拥有约 2000 万量子比特的量子计算机；然而，目前最先进的量子计算机一般不超过 1088 个量子比特。

量子计算机的实际应用可能只有在错误率得到改善、新的量子算法、软件工具和硬件得到开发之后才能实现。虽然正如 NAS 所指出的，“无法保证（这些技术挑战）一定会被克服”，但一些分析家认为，能够破解当前加密方法的初始量子计算机原型可在 2030 年至 2040 年的时间框架内开发出来。因此，美国国家科学院得出结论："后量子加密技术的开发、标准化和部署对于最大限度地减少潜在的安全和隐私灾难至关重要。(在部署后量子加密技术之前截获的信息将不会受到保护）。

2022 年 5 月，拜登政府发布了《关于促进美国在量子计算领域的领导地位同时降低脆弱加密系统风险的国家安全备忘录》（NSM-10），“在美国开始将脆弱的计算机系统迁移到抗量子加密技术的多年进程时，指导各单元采取具体行动”。NSM-10 指出，美国国家标准与技术研究院（NIST）院长和美国国家安全局（NSA）局长将制定抗量子加密技术标准。NIST 于 2024 年 8 月发布了这些标准的第一批。美国国家安全局表示，“预计到 2035 年，[国家安全系统]将根据 NSM-10 完成向[抗量子]算法的过渡”。

量子通信

量子通信--不包括下文讨论的量子密钥分发（[QKD]）--正处于初级发展阶段。量子通信理论上可以实现量子军事传感器、计算机和其他系统的安全联网，从而提高单个量子系统或经典通信网络的性能。此外，联网还能增强此类系统在射程内的稳健性，从而扩大其部署的潜在环境（即在维持脆弱量子态通常所需的实验室环境之外）。这将大大扩展量子通信的军事用途。

量子密钥分发是量子通信的一个子集，它利用量子物理学原理对信息进行加密，然后通过经典网络发送。量子密钥分配实现了在传输过程中无法被秘密截获的安全通信。(不过，QKD 通信可以在目前长距离传输所需的中继站被截获）。据报道，中国正在大力投资 QKD，并于 2016 年完成了约 1250 英里的北京-上海量子网络建设。美国DSB 还是得出结论："QKD 的实施还不具备足够的能力或安全性，无法部署到国防部任务中使用。

近期立法活动

美国国会通过了许多与量子技术相关的条款。例如，《2019 财年国防授权法案》（NDAA）（P.L. 115-232）第 234 条（后经《2024 财年国防授权法案》（NDAA）（P.L. 118-31）第 219 条修订）指示国防部长通过负责研究和工程的国防部副部长采取行动，与私营部门和其他政府机构协调执行一项量子技术研发计划。

此外，《2020 财年国防授权法案》（P.L. 116-92）第 220 节要求国防部制定使用量子技术的道德准则，以及支持量子劳动力和降低与量子技术相关的网络安全风险的计划。此外，该法案还授权各军事部门的部长建立量子信息科学（QIS）研究中心，这些中心可以 “与适当的公共和私营部门组织合作”，推进量子研究。迄今为止，海军已指定海军研究实验室为其量子信息科学研究中心，空军则指定空军研究实验室为空军和太空部队的量子信息科学研究中心。陆军表示目前不打算建立 QIS 研究中心。

2021 财年 NDAA（P.L. 116-283）第 214 节指示各军种编制并每年更新一份量子计算机在未来一到三年内可能解决的技术挑战清单。该清单目前包括量子化学、优化和机器学习。第 214 节还指示各部门与中小型企业建立合作项目，为政府、行业和研究这些挑战的学术研究人员提供量子计算能力。第 1722 节指示国防部对量子计算机带来的风险进行评估。

最后，《2022 财年国家发展援助法》（P.L. 117-81）第 105 节指示总统通过国家科学技术委员会成立量子信息科学的经济和安全影响小组委员会，而第 229 节则指示国防部长 “制定一系列活动，以加快两用量子能力的开发和部署”。2024 财年《国防授权法案》第 220 节指示国防部为量子研究制定一项公私人才交流计划；第 231 节授权国防部实施一项量子计算试点计划。