美国国会报告：量子技术的军事应用

光子盒研究院出品

美国国会研究服务局(CRS)是美国政府立法部门的一个无党派机构，它为国会成员和委员会提供有关当前或日益增长的国家利益问题的信息。该机构从2016年开始撰写名为Defense Primer的国防系列报告，在2021年5月24日发布的最新报告Defense Primer: Quantum Technology中，探讨了量子技术在军事领域的应用。

以下是报告全文：

量子技术将量子物理原理转化为技术应用。总的来说，虽然量子技术尚未达到成熟，但是，它可能对未来的军事传感、加密和通信，以及国会监督、授权和拨款等方面产生重大影响。

了解量子应用，首先应该了解一些关键概念，比如叠加、量子比特和纠缠。下面是对上述概念的解释：

叠加是指量子系统能够同时以两种或多种状态存在；量子比特是利用叠加原理对信息进行编码的计算单元(经典计算机用比特来编码信息，比特可以表示0或1的二进制状态，而量子计算机用量子比特编码信息，每个量子比特可以表示0、1或0和1的组合。因此，量子计算机的能力随着每个量子比特的增加而呈指数级增长)。

纠缠被美国国家科学院(NAS)定义为“可以将一个系统中的两个或多个量子物体内在地联系在一起，这样，无论两个物体之间有多远，对一个物体的测量就决定了对另一个物体可能的测量结果。”

量子纠缠是量子技术许多潜在的军事应用的基础。然而，因为量子态很脆弱，所以它容易被微小的运动、温度变化或其他环境因素破坏，从而导致了叠加和纠缠都很难维持。

国防科学委员会(DSB)——一个由国防部(DOD)科学顾问组成的独立委员会，认为对国防部最有希望的三种量子技术应用为量子传感、量子计算机和量子通信。DSB的结论是，理论上能够识别物体（包括低可侦测性或隐形飞机）的性能特征（例如，雷达截面、速度）的量子雷达“不会提高国防部的能力”。

•量子传感

量子传感是在传感器中使用量子物理原理的一项技术。国防科学委员会(DSB)称，这是量子技术在军事应用方面最成熟的技术，目前“准备用于军事任务”。量子传感可以增强某些军事能力。例如，它可以提供定位、导航和计时(PNT)的替代选项，理论上可以使军队在GPS定位能力减弱或无法使用GPS的环境中继续全力作战。

此外，量子传感器可能在情报、监视和侦察(ISR)方面发挥作用。这种传感器的成功开发和部署可能为潜艇探测带来显著的改进，反过来，这将可能损害海基核威慑的持续有效性。因为我们预期量子传感器“对环境干扰极为敏感”，所以我们还可以用它来帮助军事人员探测地下结构或核材料。量子传感器的灵敏性同样还可以帮助军方探测电磁辐射，从而提高在电子战争中的作战能力，而且或许能帮助军方定位隐蔽的敌方力量。

•量子计算机

根据美国国家科学院(NAS)的说法，“目前唯一已知的一种能够比现在的计算机提供指数级加速的计算模型就是量子计算机。”虽然量子计算机还处于相对早期的发展阶段，但量子计算机目前的这些进展（其中许多是由商业部门驱动的）可能会对人工智能(AI)、加密技术和其他学科的未来产生重要影响。

例如，一些分析人士提出，量子计算机可以推动机器学习(人工智能的一个分支领域)的发展。而机器学习的进步可以推动改进的模式识别和基于机器的目标识别。这反过来又可以推动更精确的致命性自主武器系统的发展，或者武器能够在人类不用手动或远程控制的情况下，自主选择和打击目标。人工智能量子计算机还有可能与量子传感器配对，以进一步提高军事情报、监视和侦察(ISR）应用的性能。

此外，敌方或许可以使用量子计算机解密存储在加密媒体上的机密或受控的非机密信息，从而获得与美国军事或情报行动有关的敏感信息。但是，一些分析人士指出，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。他们的估计表明，只有研制出一台拥有约2000万个量子比特的量子计算机，才能破解当前的加密方法;然而，当今最先进的量子计算机一般不超过100个量子比特。

量子计算机的实际应用可能只有在减少错误率、开发出新的量子算法、软件工具和硬件之后才能实现。正如美国国家科学院(NAS)所指出的那样，尽管“不能保证(这些技术挑战)将被克服”，但一些分析人士认为，人类将在2030年至2040年的这段时间内开发出能够破解当前加密方法的初始量子计算机原型。

所以，NAS得出结论：“后量子密码的开发、标准化和部署对于最小化潜在的安全和隐私灾难的可能性至关重要。”（在后量子密码部署之前被截获的信息将不会受到保护。）

•量子通信

量子通信正处于初期发展的阶段。理论上，量子通信可以使量子军事传感器、计算机和其他系统的安全网络成为可能，从而优于单个量子系统或经典通信网络的性能。此外，网络还可以在一定范围内加强这类系统的鲁棒性，从而扩大它们可以部署的潜在环境范围(也就是说，在实验室环境之外，通常需要维持脆弱的量子态)。这将显著扩大量子通信的军事用途。

量子密钥分发(QKD)是量子通信的一个分支，它的原理是用量子物理原理来加密信息，然后通过经典网络发送信息。QKD使传输过程中不会被秘密拦截的安全通信成为可能(但在目前长距离传输所需的可信中继站中存在被拦截的风险)。据报道，中国在量子密钥分发方面投入了大量资金，并在2016年(实为2017年)完成了一个大约1250英里(2000公里)长的京沪量子网络的建设。

尽管如此，国防科学委员会(DSB)还是得出结论：“QKD的能力和安全性还不足以用于国防部的任务。”

国会已经考虑了量子技术的管理和影响。例如，2019财年国防授权法案(NDAA)的第234条(P.L. 115-232)要求国防部秘书长(负责研究和工程的国防部副部长)与私营部门和其他政府机构协同执行量子技术研发计划。

此外，2020财年的国防授权法案(NDAA) 的第220节(P.L. 116- 92)要求国防部为量子技术的使用制定道德准则，以及制定支持量子劳动力和减少与量子技术相关的网络安全风险的计划。它还授权每个军事部门的秘书长建立量子信息科学(QIS)研究中心，可以“与相应的公共和私营部门组织合作”，以推进量子研究的进行。

迄今为止，海军已将海军研究实验室指定为其量子信息科学(QIS)研究中心，而空军正在将空军研究实验室指定为空军和太空部队的量子信息科学(QIS)研究中心。陆军表示，目前不打算建立量子信息科学(QIS)研究中心。

2021财年国防授权法案(NDAA)的第214节(P.L. 116-283)要求各部门编制并每年更新量子计算机在未来一到三年内可能完成的技术挑战清单。它还要求为与中小企业建立的相关项目提供服务，从而为应对这些挑战的政府、工业和学术研究人员提供量子计算能力。第1722条要求国防部对量子计算机构成的风险以及后量子密码的现行标准进行评估。

国防部在其2021财年预算申请中没有提供与量子研究有关的细目；然而，据数据分析公司Govini称，国防部在2021财年为量子技术和研究申请了约6.88亿美元的资金。

•目前成熟的量子技术的军事应用需要多少资金?美国政府应该在多大程度上投资和研究能够实现量子军事应用的技术(如材料科学、制造技术)?

•量子技术的商业进步能在多大程度上(如果有的话)用于军事应用?

•美国的竞争对手在开发量子技术军事应用方面付出了多少努力？这种努力会在多大程度上会威胁到美国领先的军事能力，例如潜艇和隐形飞机？

•美国正在采取哪些措施来开发后量子密码和保护使用现有方法加密的数据?

•美国应该采取什么措施来确保量子劳动力足够支撑美国在量子技术上的竞争力?

报告下载：

https://fas.org/sgp/crs/natsec/IF11836.pdf

—End—

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