量子技术的军事应用：虽不确定，但将是革命性的
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21世纪的量子技术，会像19世纪的电力一样，可能是一项变革性的技术。
据“战争困境”网11月17日报道，迈克尔•比尔库克和理查德·方丹共同撰文《飞跃量子技术：为国家安全专家启蒙》指出，中国新近推出的济南量子通信专网是“世界第一个牢不可破的计算机网络。”自去年推出世界上第一颗量子卫星，中国已在量子技术取得了长足的进步，量子卫星被誉为“牢不可破”加密通信的重要一步。除了安全通信之外，量子计算提供了化学建模过程的新方法，以及高级（和人工智能授权）的定位和自主决策系统。量子计算机具有攻击公钥密码系统的能力，可破解现有安全通信的能力。他们甚至可以增加军事设置中的“僵局探测”性能，在这种情况下，在远处探测有磁或重力特征 32 32430 32 10425 0 0 3936 0 0:00:08 0:00:02 0:00:06 3936目标，且不与威胁物接触。
这篇文章是量子技术的“启蒙”篇章，两位作者分别是：迈克尔•比尔库克是悉尼大学量子物理与量子技术教授，曾任DARPA量子技术顾问，而理查德·方丹是智库“美国新安全中心”主席，曾任美国参议院军委会主席麦凯恩的外交政策顾问和参议院军事委员会副参谋长。
文章认为，事实上，量子技术在国家安全、军事领域的应用是未知的。世界各地的政府和企业都在投资量子技术。美国已在量子技术在国防和情报中的应用进行投资，欧洲联盟正在为其自身的量子技术生态系统投入十亿欧元，且俄罗斯也在悄悄进行量子领域的投资。
考虑到这一领域的现状及其巨大的潜力，21世纪的量子技术，会像19世纪的电力一样，可能是一项变革性的技术。
对于读者来说，到目前为止，抛开一时的炒作，宏伟的说法，以及科幻风格的讨论，量子技术的真相其实很有趣。
回到根本
量子物理学简单地说是一套以微小尺度支配宇宙的法则。我们说的是真的，真的很小，以纳米或是十亿分之一米计量。这些定律似乎与电磁学、引力和力学所谓的“经典”物理学完全不同，它们支配着我们的日常经验。在我们的传统世界里，行动是决定性的。根据已知的物理定律，火箭沿着一条可预测的路径行驶，汽车的减速可以预知。然而，在微小的量子层面上，事情变得很怪异。从本质上说，可预见的世界观崩溃了，代之以新的规则，貌似是反直观的，与现实完全相反。
大多数现代技术已经深受量子物理学影响。万亿美元的半导体工业为我们带来强大的微处理器和移动电话，它的存在归功于固体中电子的量子行为。在实践中，通过聚集许多单个粒子和它们之间的平均体积性质，半导体解决了量子层面上观察到的奇异现象。量子技术可以实现访问和控制单个原子、电路中的电子和光子。
尽管有无数的教科书图表，原子事实上并非像一个迷你卡通太阳系，沿规定的路径绕核运动。相反，微小粒子的行为更像波浪而不是球体，它们可以在太空中传播，互相干扰，就像池塘里的涟漪一样。这具有反直观的含义：我们只能在量子水平考虑物质的行为，而不是固定的绝对真理。当然，在人的水平层面上，我们没有观察到这一点；你所阅读的计算机或电话只存在于一个地方，如果你把它扔到窗外，它的运动就可以用力学定律精确地预测出来。
正是这种类似于波浪的光和物质的性质，解释了我们在量子物理学中观察到的一些奇怪的东西。量子系统不像一个棒球、一本书或一架B-2那样存在于这里或那里，而是可以（松散地）同时存在在一个以上的地方，直到该系统被观测到（说得更直白一点，这些系统可以在一个以上的“量子态”同时存在）。
这种效应被称为“叠加”，听起来似乎够疯狂的。但它变得更奇怪。经过观察，量子系统“只选择一种可能性，叠加就会瓦解”。换句话说，一个光或物质的粒子可以被描述为同时在多个地方，直到你看到它，它会冻结在一个地方。
量子系统也可能以经典物理学无法描述的方式联系在一起。有了“纠缠”，连接粒子可以“远程控制”，不管它们相距多远。控制紧密相连的“一半”，你也会立刻操纵它的“另一半”。
在量子领域中仅仅用我们的物理经验来描述是不够的。
这些影响是反直观的，几十年来，二十世纪最伟大的科学头脑认为它们无非是数学上的怪异而已。然而，从20世纪80年代开始，科学家们开始在实验室中分离量子系统，并证明这种不寻常的物理事实上是真实的。现在，研究人员正试图利用这些系统来驱动新一代的应用程序，即所谓的第二次量子革命。世界性的赛跑正在进行，以取得最大和最快的进步。
牢不可破
你可能没有意识到，但你很可能已经定期使用了量子技术。你坐上汽车，打开Waze或谷歌地图，你已经使用量子技术。GPS接收机通过测量空间中多颗卫星信号的微小时间延迟来工作。这样做需要非常稳定和非常精确的时间测量：输入原子钟。这种钟位于GPS卫星内部，经常用到量子叠加。他们使用铯原子或铷原子来完成非常稳定的“滴答”走时，只有原子自身才可以进入。使用这种物理学的时间标准是稳定的，它在1亿年内只会损失1秒钟。这种稳定性不仅适用于全球定位系统，也适用于其他系统，包括管理互联网操作的同步协议。
在1亿年内误差1秒钟的钟听起来可能比我们需要的强很多，但科学家们希望利用量子技术做得更好。基于单原子的新一代研究级时钟目前正在研制之中，十亿年内只会损失一秒。这种稳定性使得时钟可以用作传感器——它们的滴答声是如此的规律，因为重力、磁场等环境的微小变化会产生可识别的特征。迄今为止最敏感的实验表明，这种钟可以测量地球重力的变化。原子传感器已经被用于军事应用，这些特殊尺度的测量灵敏度的提高，有望极大地提高它们的性能，并使整个新一代的遥感器成为可能。
今天，人们最关注的不是完善时钟，而是专注于量子信息深奥的探测领域。这个领域包括超级安全的量子通信和速度极快的量子计算。
量子通信试图利用量子物理学的规则来保证新的加密协议，以保证安全性。光子，或是光通信中广泛应用的光粒子，具有各种物理性质，符合量子力学的规律。在量子通信中，研究人员通常利用我们先前讨论过的特性——测量或“观察”一个量子破坏它的叠加或纠缠状态。这种“测量意味着破坏”现象提供了一种检测黑客行为的新工具：用正确的方式编码量子信息，试图截获信息将摧毁它，并以可检测的方式进行。
今天，量子数据传输率仍然很低，因此传送整个消息还不实际。相反，专家主要集中在量子密钥分配（有时被称为量子密钥分配）的方式，双方使用量子通信共享一个“经典”信息密码，用于编码和解码。但这些努力并不能保证通信“牢不可破”或完美地检测监听，而只能是其安全性得到改善。目前，科学家对探索量子通信系统安全攻击的多样性研究相当积极。
量子计算机一般依赖于量子比特（量子位），它们是二进制计算机的二进制位（二进制数字）。比特直接而简单，采用的连续值为1和0，物理上表示为打开或关闭的电子晶体管。经典的计算机使用0和1来编码信息；例如，计算机使用“00010010”来表示数字18。
量子比特，相反，可以在1和0的叠加态存在，他们在同一时间可以是1和0。其数学结果是极大地增加信息容量和处理能力。计算机中的一个字节（八位）可以在0到256之间存储一个数字。另一方面，一个量子字节可以同时代表256个数字。这种信息容量的指数增长与传统计算有着重大的背离。然而，与所有计算一样，人们仍然需要在这个巨大的“信息空间”上运行一个有用的算法，并在度量破坏量子态时获得一些有用的信息。因此，量子算法的发展出现了一个新领域。
量子计算机所承诺的处理速度为解决最强大的超级计算机极具挑战性的问题提供了可能性。对于当今经典计算机的种种奇迹，有许多事情是他们无法做到的，比如模拟复杂分子的化学结构或反应。所以，不要用量子计算机想象脸谱网和“推特”的速度，相反，想象一下新的计算工具，可以解决传统硬件上几乎不可能解决的问题。
速度惊人
量子技术在安全领域有着明显的应用前景。例如，更好的原子钟将提高GPS的空间分辨率，并允许更精确的定位和导航。量子通信可以使政治和军事领导人交换信息，增强隐私，并有高度信心。我们也可以使用量子计算能力来破解加密的信息，如下所述。
这些应用程序的安全性和经济性可能是巨大的，例如情报和监视活动。找到大数字的素数因子，也就是说，只有一和其本身数字相乘才能满足条件达到目标数，这是非常困难的。如果数字太大，传统的计算机根本无法做到，这需要花很长的时间（甚至是几百万年）来完成确定其素数所需的所有计算。公钥密码系统（也就是说，大多数加密）依赖于分解素数的数学复杂性，使消息不受窥探计算机的影响。
然而，由于他们采用编码和处理信息的方法，量子计算机能够比经典机器更快地以指数的速度计算素数。非常简单的量子演示已经成功地将两位数的数字进行了分解，现在研究的重点是如何设计和操作足够大的量子计算机来计算较长的数字（例如2048位）。要达到这个潜力可能要花很长的时间——可能几十年——而一台量子计算机能够破解高密编码，其结果是使整个公钥加密系统变得脆弱。这一系统今天不仅有效地传递消息，而且确保了交互的安全。
量子技术在材料科学和化学领域同样证明是有效的，而且需要的时间很短。例如，代表分子中所有可能的电子相互作用的计算机建模很难，因为这些电子遵循量子物理学的规则。因此，这对于今天的计算机处理速度是具有挑战性的。即使使用最著名的近似法，用世界上速度最快的计算机上模拟相对简单的分子需要的时间可能比宇宙的年龄还要长。
例如，制造氮基化肥几乎消耗了世界天然气产量的6%，部分原因是没有发现合成这种天然气的高效催化剂。然而生物系统经常执行类似的任务。由于计算机模拟化学反应中电子相互作用的困难，今天的计算机无法完成破译它们的任务。然而，量子计算机很可能会这样做，并在这个过程中导致新的合成肥料的方法。其结果将是开发出关键的能源资源和保障更好的粮食安全。
量子计算有助于开发革命性的人工智能系统。最近的研究证明，量子计算和人工神经网络之间的强大的和意外的联系，可能预示着新的机器学习方法。这样的进步可能会大大改善模式识别，例如，这将允许更好的基于机器的目标识别。想象一个例子，在我们浩瀚的海洋中，借助于人工智能量子计算机，潜艇可能隐藏得更深，尤其是如果它们与强大的量子感应传感器获取的大量数据集结合在一起。
新的量子增强时钟的发展也可能影响安全性，而不仅仅是使GPS设备更精确。量子能时钟是如此敏感，以至于它们能从远处分辨出微小的重力异常。因此，他们可以部署军事人员探测地下，如硬化的结构、潜艇，或其它隐藏的武器系统。鉴于其对遥感技术的潜力，先进的时钟会为明天的战士提供一个关键的嵌入式技术。
鉴于所有这些例子，我们在技术发展史上反复看到，新技术最深刻的影响通常是最不可预期的。ENIAC，第一个数字电子计算机，设计在上世纪40年代主要是为了计算炮弹轨迹。其技术将最终导致互联网，苹果手机（iPhone）和追踪者记录器（Fitbit）也许曾在ENIAC的创造者心中灵光闪现。同样，量子技术也有希望以不可能想象的方式改变世界。
跳跃前进
文章认为，美国在量子竞赛中拥有重要的战略优势。这不仅仅关系着美国风险资本、硅谷的地位、或者是盟友的汇聚。美国还拥有一个高度竞争力的承包商、值得信赖的铸造厂、国家实验室和联邦政府资助的研发中心。然而，美国的投资往往是临时性的和另类，专业知识一般都是以高度独立的学术实验室为基础。
多年来，人们一直在努力探索，确定量子技术的机会。特朗普政府应该超越过去的论文研究和行动，特别是对量子技术和量子计算的清晰愿景，以及一个国家能够切实实现它的道路。最近，美国众议院开始就美国在量子技术方面的领导权举行听证会。量子技术的承诺转移到加强国家安全、促进国家繁荣和改善日常生活的世界。挑战仍然存在。克服这些障碍不仅需要正确的资金水平和吸引世界级的人才基础，而且需要与国外伙伴合作，共同努力。迄今为止，与战略盟友（尤其是五只眼——美英加澳新）的合作对美国领导层至关重要，这将对美国未来在该领域的技术优势至关重要。
鉴于迅速发展的技术进步，国家安全专家将需要更加熟悉量子技术的基本概念，并对其潜力和局限性感到敏感。许多专业人士将可以描述在伊朗浓缩铀的基本途径，谈网络攻击的各种可能性，或纵论大数据功能的人工智能。现在是将量子技术添加到当今国家安全政策制定者和分析师的知识工具包的时候了。
量子技术虽然具有不确定性，但可能具有革命性的作用。
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