【科技评论】量子技术：让信息化战争变了容颜
量子计算的意义不亚于核武器……一旦有些国家军队拥有了量子计算机，而另一些国家军队却没有，当战争爆发的时候，这就犹如一个瞎子和一个睁眼的人在打架一样，对方可以把你的东西看得清清楚楚，而你却什么都看不到。
近期，中国科研团队在国际上首次成功实现了量子密钥分发的全方位地面验证，为未来实现基于星地量子通信的全球化量子网络，奠定了坚实的技术基础。科学社会学的奠基人贝尔纳曾说：“科学与战争一直是极其密切地联系着的。”随着量子信息科技的不断突破，并越来越广泛地应用于军事领域，将会推动信息化战争产生新的飞跃。
量子计算意义不亚于核武
倘若人们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命，及其给战争形态带来的质变——从机械化战争转向信息化战争。然而，这一曾颠覆机械化战争图景的电子信息科技，在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的问题也日渐凸显：电子计算机的极限运算速度是否存在？
1965年，英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔针对电子计算机技术的发展提出了“每18个月计算能力翻倍”的摩尔定律。然而，由于传统技术的物理局限性，这一能力或将在未来10～20年之内达到极限。据保守估计，2018年芯片制造业就将步入16纳米的工艺流程，业内专家则认为，16纳米制程已经是普通硅芯片的尽头。事实上，当芯片的制程小于20纳米之后，量子效应就将严重影响芯片的设计和生产，单纯通过减小制程将无法继续遵循摩尔定律，而突破的希望恰在于量子计算。
从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储的数达2的250次方，比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。无论在基础理论还是在具体算法上，量子计算都是超越性的。如科学家提出的“量子搜寻算法”，其计算速度是目前最快的计算机的亿万倍。如用“量子搜寻算法”攻击现有密码体系，经典计算需要1000年的运算量，量子计算机只需小于4分钟的时间。以致有科学家宣称：“量子计算的意义不亚于核武器……一旦有些国家军队拥有了量子计算机，而另一些国家军队却没有，当战争爆发的时候，这就犹如一个瞎子和一个睁眼的人在打架一样，对方可以把你的东西看得清清楚楚，而你却什么都看不到。”
因此，对量子计算的相关研究及量子计算机的具体研制已成为世界科学领域最闪亮的“明珠”之一。比如，美国国防部对此就给予了高度重视，国防高级研究计划署专门制定了名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划，其对外公开宣称的目标是，若干年内要在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算及固态量子计算等领域取得重大研究进展。
构筑“数字城堡”的铜墙铁壁
自从人类有了文明开始，就有了保密的意识，古希腊的斯巴达人将一条1厘米宽、20厘米左右长的羊皮带，以螺旋状绕在一根特定粗细的木棍上，然后将要传递的信息沿木棍纵轴方向从左至右写在羊皮带上。写完一行，将木棍旋转90度，再从左至右写，直至写完。最后将羊皮带从木棒上解下展开，羊皮带上排列的字符即是一段密码。不用说，信息的接收者也需要有根同等粗细的棍子，收到羊皮带后再将它裹到棍子上，才能读出原始信息。这样，即便羊皮带中途被截走，只要对方不知道棍子的粗细，所看到的也只是一些零乱而无用的字句。这就是历史上记载的人类最早对信息进行加密的方法之一。
密码作为信息安全的重要手段，是信息对抗的焦点，各国政府尤其是军队都在努力寻找和建立绝对安全的密码体系。随着量子信息技术的发展，密码通讯正在迎来划时代的变化，一种永远无法破译的密码或将在不远的未来登上军事斗争舞台。
现代密码学所采用的加密方法，通常是用数学计算操作来改变原始信息，这种改变信息的方法是密钥，掌握了密钥就可以将消息复原回来。从理论上来说，这种传统的数学计算加密的方法是可以破译的，再复杂的数学密钥也可以找到答案。且即使密码已经被窃听者成功破译，用户也不会发现。第一台现代计算机的诞生，就是为了破解复杂的数学密码。随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度也逐渐降低。例如，美国科学家皮特·休尔提出的“量子算法”，利用量子计算的并行性，可以快速破译以因式分解算法为根基的密码体系。
而量子密码，是由微观粒子所遵循的物理规律来保证的，并非传统的数学演算法则或者计算技巧所提供的一种密钥分发方式，窃听者只有逾越物理世界的法则才有可能盗取密钥。量子密码的核心任务是分发安全的密钥，建立安全的密码通信体制，进行安全通讯。量子密码是将编解码使用的密钥进一步切割，然后分配到一个一个的光子上。通过经由光纤或无线方式传送光子、交换密钥。由于代表密钥的各光子都非常微弱，如果信息中途泄露的话，其形态就会发生变化。因此，接收密钥的用户就能够得知信息是否被别人盗取，一旦被盗取，就会及时做出不安全的判断并停止使用这些密钥，这样截获者得到的只是无意义的信息。同时，信息的合法接收者也可以从量子态的改变，知道密钥曾被截取过，从而确保一直使用安全的密钥进行编解码作业。
量子密码技术作为一种新的保密技术，从本质上解决了密钥分配问题，不仅能保证军事和政府等核心机关通信信息的无条件安全，而且能为社会各领域的信息安全提供全新的安全技术保障。量子密码的出现被视为“绝对安全”的回归。世界各国纷纷将其纳入国防科技发展战略之中。如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室就在研究量子局域网的密码体系和自由空间量子密码。同时，英国国防部及欧盟各国也启动了类似的量子密码研究计划。
联通多维战场的神经网络
未来一体化联合作战的关键在于各战场空间、参战军兵种能否联通，实现信息的及时共享。目前，由于网络宽带、通信容道等限制，还难以真正实现信息实时共享。然而，量子通信技术的发展，有可能会使一切难题迎刃而解。
量子信息学告诉人们，在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子，这就是所谓的量子纠缠现象，这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。与传统的通信技术，量子通信技术具有如下优点：
一是安全保密。据有关专家介绍，用光量子电话网，虽然跟平常打电话一样，却不用担心被窃听，相互之间通话绝对安全。这是因为，量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，两人通话期间，密码机每分每秒都在产生密码，牢牢“锁”住语音信息；一旦通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝对不会重复使用，而且量子通信所提供的密钥无法被破解。
二是超光速传输。与传统光速通信相比，量子超光速通信具有许多人们梦寐以求的优点：量子超光速通信的线路时延可以为零，从而实现了最快通信；量子信息传递的过程不会为任何障碍所阻隔；量子超光速通信完全环保，不存在任何电磁辐射污染。因此，可以利用量子隐态传输以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效率等特点，建立满足军事特殊需求的超光速军事信息网络。
三是通信距离远。有科学实验证实，量子隐态传输能够穿越大气层，可进行星际联络。我国科学家近期就在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，并计划于2016年发射全球首颗“量子通讯卫星”。
四是与传播媒质无关。与现代通信手段不同，量子通信的光量子隐态传输与传播媒质无关，不会因其受阻。因此能够应用于深海安全通信。当前，岸基与深海之间的通信一直是世界性难题。利用长波通信，不仅系统庞大、造价高、抗毁性差，而且仅能实现海水下百米左右的通信。而量子通信的这一特性，将为远洋深海安全通信开辟了一条崭新的途径。
由此可见，量子通信技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景。量子隐形通信系统将建立在各类作战指挥控制体系之间和各种侦察预警系统、主要作战平台以及空间武器系统之中，从而构建出量子信息化战场的通信网络，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未来的信息化战争中扮演无可替代的角色。
（来源：中国国防报，作者：王军）
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