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量子技术，如何用于「军事国防」？
光子盒研究院出品
量子技术是一门新兴的、具有潜在颠覆性的学科，能够影响许多人类活动。而且量子技术是两用技术，因此国防和安全行业以及军方和政府都对此感兴趣。
最近，美国传统基金会(the heritage foundation)发布的《全球量子霸权》报告重温了量子技术对国防的重要性。
针对量子技术在美国的军事应用，国防部科学顾问委员会国防科学委员会(DSB)得出的结论是：量子传感、量子计算和量子通信对国防部很有前景。
1）量子传感将显着改善潜艇探测，提供替代定位和导航，使军事人员能够探测从地下结构、核材料再到电磁辐射的任何事物，并协助定位敌方部队。
2）量子计算将推进机器学习(ML)，通过辅助自主武器的瞄准算法来增强动能战系统，从而彻底改变战场空间。
3）美国政府还可以使用抗量子加密(PQE)。PQE仍然是NSA的首要任务，开发量子密钥分发和加密技术以保护军事和美国政府的通信和信息。PQE可以抵抗传统和支持量子的解密软件。这可以让私营和公共部门保护数据。英国QC公司Majenta Solutions曾建议，可以通过“分片”数据来停止量子解密——将数据分成更小、更易于管理的部分。量子通信将使量子军事传感器、计算机和其他系统的安全联网成为可能，从而提高单个量子系统或经典通信网络的性能。
1）化学和生物模拟、检测
使用量子模拟进行广泛模拟的能力可以在化学战剂（例如氰、光气、氯化氰、沙林等）的反制措施的专业化和进步中发挥作用。
2）新材料设计
理论上可以使用量子计算对材料进行分析和模拟，从而创造出潜在的新材料、室温超导和电池改进。
一些防御材料，例如“更好的伪装、隐身（电磁吸收）、超硬装甲或耐高温材料设计”可能会取得成果。
3）网络战
如前所述，QKD有可能显着影响国防应用，需要克服端点漏洞的弱点。量子应用可以增加对当前加密的网络战攻击向量，同时看到“量子弹性加密算法”的进步以应对未来的威胁。
将量子计算应用于传统计算以提高效率，并将ML和AI应用于网络安全和战争应用是可能的结果。
4）计算
稳定的量子计算与经典操作系统的结合将大大提高计算能力。随着优化、ML和AI以及模拟方面的巨大进步，总体功能可能会作为混合云架构的一部分进行扩展。
在军事应用方面，量子计算(QC)可以优化“海外行动和部署的物流、任务规划、战争游戏、系统验证和验证、新车辆设计及其隐身或敏捷性等属性”。为了改进经典计算，QC可以优化和增强“国防中最经典的ML/AI应用程序，例如，自动化网络操作、算法定位、态势感知和理解或自动化任务规划。”
例如，洛克希德马丁公司曾使用D-Wave的量子退火器来验证和改进复杂系统的软件代码。
5）定位、导航和授时(PNT)
量子技术可以在PNT结构中产生巨大的改进。使用量子能力的惯性导航可以带来“比经典对应物高100倍的精度”，并且可以看到“在GPS被拒绝或具有挑战性的操作环境中表现出来的优势，并能够在水下和地下或GPS干扰下的环境中实现精确操作。”
例如，潜艇平均每72小时误差一英里。量子惯性导航可能会有“每月大约数百米”的误差。最近的报道表明，潜艇和其他船只的量子传感器在陌生区域实现导航可能需要不到两年的时间，而无人机和小型飞机使用此类传感器的完整导航能力则需要7到10年的时间。
美国空军最近与Sandbox AQ签订了一份研究合同，以评估其量子传感器原型“旨在补充全球定位系统(GPS)，以便在GPS精度下降可能对操作产生负面影响的退化、竞争等环境中进行精确导航的能力”。
6）情报、监视、目标获取和侦察(ISTAR)
ISTAR的量子改进可以显着提高多域环境中的态势感知能力。量子传感的改进将出现在“单个陆地/海上/飞行器和低轨道卫星”中；地震和磁力测量的改进将体现在地球表面的异常情况以及在水下环境中观察潜艇和水雷的能力。
7）近地轨道(LEO)和太空探测
量子重力仪和磁传感可以检测伪装的车辆或飞机，对从LEO搜索舰队或个别船只有效。还可以探测地下结构，例如洞穴、隧道、地下掩体、研究设施或导弹发射井；埋藏的未爆炸物体（地雷、水下地雷和简易爆炸装置）的定位；旋转机械的穿墙检测。
随着LEO及更远地区交通量的增加，量子雷达可以极大地提高当前跟踪极小碎片、卫星和陨石的能力。
8）成像
量子3D相机可以“检查和检测喷气式飞机、卫星和其他敏感军事技术的偏差或结构裂缝”。短程成像能力可以提高“在角落后面或视线外的能见度”，并用于“定位和救出被困人员、被劫持人员或改进自动驾驶以检测来自周围区域的车辆”角落。
这些改进还可以增加用于在“夜间多云的水、雾、灰尘、烟雾、丛林树叶”中看到的视觉设备，并帮助直升机飞行员在复杂的视觉环境中看清东西。
量子测距仪将消除传统测距仪的可探测性，并且无法与目标区分开来。
9）电子战(EW)
量子能力可以改进经典的电子战、无线电频谱分析仪和ML/AI技术。改进后还可以增强信号智能和抗干扰能力。
10）光探测和测距（激光雷达）
与传统系统的成本和功能相比，对量子雷达潜在功能的广泛猜测有时被夸大了。也就是说，量子技术可能在太空中具有“有利环境”，可以在卫星上建立雷达以探测否则难以观察的小型卫星。
使用量子激光雷达作为反无人机能力来检测更小和移动更慢的无人机系统和物体，短程防空系统也可以得到改进。
11）水下能力
潜艇很可能是量子能力带来的惯性导航优势的首批采用者之一。更大的潜艇可以搭载量子设备，并允许量子磁力计和重力仪帮助绘制“海底峡谷、冰山或起皱的海底，而无需使用可以轻松探测到的声纳”。
此外，沿海的超导量子干涉装置(SQUID)量子磁力计阵列可以通过检测6公里外的潜艇来帮助采取反潜战措施，而传统的直升机和飞机的射程只有数百米。
12）脑成像和人机界面
尽管这是一个推测领域，但由于上述概念验证中提到的许多潜在战争应用都在实际应用中，因此可能使用量子脑磁图可以提高人机界面和数据收集的能力。
例如，士兵的头盔可以配备额外的远程医疗监控和检测，为战场指挥官和医疗支持提供进一步的数据输入。此外，使用量子技术与传统计算相结合来提高计算能力可以增强战场上与机器和自主系统的人机界面。
美国针对国防领域的量子行动美国近年来取得了长足进步，更加关注提升量子能力和未来的可能性。特朗普和拜登政府以及国会已将量子信息科学列为国家量子计划的优先事项，并在白宫科技政策办公室(OSTP)内发挥优先作用。
未来，美国如何在量子计算、传感和加密时代取得成功，将对从制造业、医学治疗的发展，再到军队的国家安全等方方面面产生影响。
尽管在扩大量子技术规模方面仍存在许多挑战，但国家、军队、学术界和科技公司之间的科学竞赛和成果将定义21世纪。
原文链接：https://www.heritage.org/technology/report/beating-china-the-race-quantum-supremacy
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