量子技術(shù)軍事應(yīng)用探析

張玉強(qiáng)，林國(guó)語(yǔ)，李立緯，肖本帥

（武警海警學(xué)院艦艇指揮系，浙江 寧波 315801）

自1900 年普朗克引入“量子”的概念之后，量子力學(xué)迅速發(fā)展成為現(xiàn)代物理兩大支柱之一，其產(chǎn)生與發(fā)展給傳統(tǒng)的科學(xué)理念造成巨大的沖擊，量子力學(xué)不僅對(duì)超導(dǎo)電性、原子及原子核結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體性質(zhì)等給出了科學(xué)的解釋，并促成了新技術(shù)、新功能、新材料的不斷出現(xiàn)。可以說(shuō)，現(xiàn)代物理學(xué)的分支及相關(guān)的邊緣學(xué)科無(wú)一不是建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)之上的。量子技術(shù)在深刻改變?nèi)祟悓?duì)科學(xué)認(rèn)知的同時(shí)，對(duì)軍事領(lǐng)域的影響也愈加顯著，傳統(tǒng)的用時(shí)間爭(zhēng)取空間或用空間爭(zhēng)取時(shí)間的理念將會(huì)被改變，量子技術(shù)所突出的高節(jié)奏、高速度在戰(zhàn)爭(zhēng)中才能贏得時(shí)間和空間上的優(yōu)勢(shì)，取得最終的勝利。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)空地海數(shù)據(jù)匯集，各軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)，使得大數(shù)據(jù)、大計(jì)算等成為戰(zhàn)場(chǎng)制勝的關(guān)鍵因素之一，量子技術(shù)將在軍事領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，也將成為提高我國(guó)在高技術(shù)條件下的防衛(wèi)作戰(zhàn)能力、打贏未來(lái)高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)的主角，并不斷改變戰(zhàn)爭(zhēng)的形態(tài)。

1 量子技術(shù)引發(fā)軍事應(yīng)用技術(shù)變革

量子糾纏、量子信息、量子計(jì)算、量子通信等研究成果在科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，特別是量子系統(tǒng)具有信息儲(chǔ)存量大、讀取速度高、保密性高等特點(diǎn)。世界各國(guó)特別是美、英、日等發(fā)達(dá)國(guó)家都從戰(zhàn)略的高度部署量子技術(shù)的研究，以提升本國(guó)的軍事實(shí)力。量子技術(shù)的發(fā)展也必然使現(xiàn)有武器裝備的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和作戰(zhàn)能力得到有效地提升，成為軍事領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的新變革，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 提高保密性

信息安全與國(guó)家的政治、國(guó)防、商業(yè)、經(jīng)濟(jì)、金融等各個(gè)方面緊密相關(guān)，只有提高信息的保密性，才能在對(duì)方強(qiáng)大的信息攻勢(shì)面前，構(gòu)筑起堅(jiān)固的信息屏障，確保國(guó)家權(quán)益不受侵犯。軍事情報(bào)歷來(lái)在戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演著重要角色，軍事信息的安全保密工作，事關(guān)國(guó)家利益和軍隊(duì)安全。

態(tài)疊加原理是量子技術(shù)在信息保密方面應(yīng)用的重要的理論支撐，也是量子力學(xué)的基本原理之一，即若 1ψ是體系的一個(gè)可能態(tài)，2ψ也是體系的一個(gè)可能態(tài)，則是體系的可能態(tài)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)中0 和1 作為信息的基本單位，用0 和1 組成的字符來(lái)表示信息；量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的基本單位是量子比特(qubit)，即必須用兩個(gè)量子態(tài)代替經(jīng)典比特狀態(tài)0 和1，進(jìn)入根號(hào)交換門代表邏輯0 和1 的兩個(gè)量子比特會(huì)相互作用，產(chǎn)生一個(gè)糾纏態(tài)，即01 和10 的疊加態(tài)，即使它們被分開(kāi)在沒(méi)有相互干擾的情況下到達(dá)相距很遠(yuǎn)的位置，仍能保持相互糾纏，并且對(duì)距離很遠(yuǎn)的兩個(gè)量子比特中的任一個(gè)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果通常是高度關(guān)聯(lián)的，也就是某個(gè)粒子的作用將會(huì)瞬時(shí)的影響另一個(gè)粒子，愛(ài)因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。N個(gè)量子儲(chǔ)存器與N個(gè)經(jīng)典儲(chǔ)存器分別能夠儲(chǔ)存2N個(gè)數(shù)和一個(gè)數(shù)，足以說(shuō)明其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力。量子比特與比特之間的比較如表1 所示。

表1 量子比特和比特的比較

之所以量子計(jì)算機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中不能對(duì)量子態(tài)測(cè)量，是因?yàn)闇y(cè)量會(huì)使量子態(tài)發(fā)生改變，也就是對(duì)量子態(tài)的測(cè)量會(huì)對(duì)量子態(tài)本身造成干擾，物理上任何量子復(fù)制機(jī)都沒(méi)法克隆出與輸入量子態(tài)相同的量子態(tài)來(lái)，即未知量子比特不可能精確復(fù)制，使得每個(gè)復(fù)制比特與初始量子比特相同，不可復(fù)制性的根本原因是態(tài)疊加原理。在量子力學(xué)允許的范圍內(nèi)，無(wú)法精確復(fù)制一個(gè)未知的量子態(tài)，使復(fù)制的量子態(tài)與原量子態(tài)完全一致，量子技術(shù)在此領(lǐng)域可以展現(xiàn)其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，以確保軍事信息的完整性、可用性、機(jī)密性和真實(shí)性，使信息在各個(gè)環(huán)節(jié)安全。

1.2 提高保真度

在高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，全部的武器裝備都與微電子技術(shù)息息相關(guān)。如軍艦當(dāng)中電子設(shè)備占裝備成本的22%、戰(zhàn)斗車輛占24%、作戰(zhàn)飛機(jī)占35%，導(dǎo)彈占45%，軍用衛(wèi)星占66%，自動(dòng)化系統(tǒng)占88%。在高精度、高速度、小型化、復(fù)雜化及集成化驅(qū)使下，微電子技術(shù)發(fā)展日新月異，研究和生產(chǎn)尺寸早已達(dá)到納米級(jí)，此時(shí)電路中的量子噪聲不可避免的對(duì)信號(hào)的保真度和穩(wěn)定性等產(chǎn)生重要影響。現(xiàn)在的科技水平已經(jīng)使得在計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中必須考慮電路及器件中的量子效應(yīng)，如處于介觀尺度的材料，盡管也含有大量粒子，但其系統(tǒng)尺度小于相干尺度，同一樣本中的粒子保持相干運(yùn)動(dòng)，各個(gè)樣本性質(zhì)差異極大，系統(tǒng)的平均值不再有效的刻畫(huà)系統(tǒng)中所有樣本的性質(zhì)，或者說(shuō)存在很大的統(tǒng)計(jì)漲落。因此，降低電路及器件中的量子噪聲，增加其在工作過(guò)程中的信號(hào)的保真度和穩(wěn)定性顯得尤為重要。

目前人們對(duì)微電路系統(tǒng)量子效應(yīng)的研究取得了一定的進(jìn)展，并對(duì)提高微電路工作過(guò)程中信號(hào)的保真度和穩(wěn)定性起到了重要的促進(jìn)作用。隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，微電子器件的尺寸已達(dá)到了原子數(shù)量級(jí)，即將逼近極限，對(duì)電路量子效應(yīng)進(jìn)一步深入研究，尤其是對(duì)實(shí)現(xiàn)降低量子噪聲研究，對(duì)半導(dǎo)體、量子信息、量子計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，無(wú)疑非常重要。

1.3 提高材料性能

量子材料屬于一類新材料，它利用的是光的量子性能的一種技術(shù)，其結(jié)構(gòu)尺寸在納米數(shù)量級(jí)，此時(shí)物質(zhì)的量子尺寸效應(yīng)對(duì)材料性能的影響就成為不能忽視的問(wèn)題。量子隱身材料，可以完全在不借助其他技術(shù)的情況下，通過(guò)彎曲光線達(dá)到隱形，甚至可逃過(guò)紅外望遠(yuǎn)鏡和熱力學(xué)設(shè)備的追蹤。

加拿大已研發(fā)出“量子隱形”衣，其通過(guò)反射穿衣著身邊的光波，可以使穿衣人達(dá)到隱身的效果。目前的反雷達(dá)探測(cè)隱身技術(shù)受頻率段限制，其主要針對(duì)的是厘米波段雷達(dá)。近年來(lái)隨著紅外、紫外探測(cè)器，處于毫米波段、米波段雷達(dá)等新型先進(jìn)探測(cè)器不斷出現(xiàn)，并陸續(xù)裝備部隊(duì)，這使原有的隱身方式在新式裝備面前顯得蒼白無(wú)力。要想繼續(xù)達(dá)到隱身的目的，這就要求隱身材料具備寬頻帶吸波特性，即同一種隱身材料能夠?qū)苟喾N波段的電磁波源的探測(cè)。量子隱身材料用于偵查器材，可以對(duì)對(duì)方實(shí)施全方位、大縱深的立體偵查，及時(shí)掌握其兵力及武器部署情況，取得可靠的情報(bào)來(lái)源?？梢杂行岣咦鲬?zhàn)勝算概率、出奇制勝，有效打擊對(duì)方的有生力量，從而掌握戰(zhàn)場(chǎng)上的主動(dòng)權(quán)。

2 量子技術(shù)將改變戰(zhàn)爭(zhēng)模式

2.1 量子技術(shù)在軍事應(yīng)用中的發(fā)展

量子技術(shù)不僅深刻改變著人類對(duì)微觀領(lǐng)域的認(rèn)知，也對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)有著深刻影響，使未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的作戰(zhàn)方式、方法發(fā)生根本性的改變，并有力地改變著戰(zhàn)爭(zhēng)的面貌，影響著戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)局。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的特征主要體現(xiàn)在信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和群組化等，這些鮮明特征的背后無(wú)不有著強(qiáng)大的科技支撐，而量子技術(shù)處于科技舞臺(tái)的C 位，直接引發(fā)和推動(dòng)著軍事應(yīng)用技術(shù)革命。二戰(zhàn)末，德國(guó)就開(kāi)始了對(duì)量子武器和反量子武器計(jì)劃的研究，而且發(fā)展迅速。

20 世紀(jì)70 年代，英美已著手開(kāi)始對(duì)量子計(jì)算進(jìn)行研究；前蘇聯(lián)也一直在秘密地進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)試驗(yàn)，俄羅斯軍隊(duì)在謀劃未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)模式-脈沖戰(zhàn)爭(zhēng)后，對(duì)量子武器的研制提上日程。正如俄羅斯專家所要表達(dá)的那樣：只要條件允許，俄軍就能成功研制一種被稱作量子武器的神秘設(shè)備，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于世界上現(xiàn)有的類似產(chǎn)品。俄媒體稱，目前俄已研制出一系列威力驚人的電子戰(zhàn)武器，其中一種神秘的新式電子戰(zhàn)武器可以放在一個(gè)小箱子里，能使一個(gè)中等國(guó)家或者整個(gè)地區(qū)能源系統(tǒng)陷入癱瘓。1997 年，美軍正式提出“導(dǎo)航戰(zhàn)”的概念。基于此，美國(guó)麻省理工學(xué)院于2001 年首次提出量子定位系統(tǒng)，量子定位系統(tǒng)是基于量子力學(xué)基本原理，利用量子糾纏、量子壓縮等特征，通過(guò)量子信號(hào)的形式，來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度定位要求的一種新型定位系統(tǒng)。

2.2 量子武器

將量子技術(shù)應(yīng)用于軍事，所生產(chǎn)出的量子武器能夠大幅度提高彈頭對(duì)目標(biāo)的穿透力和破壞力、具有更強(qiáng)的殺傷力和破壞力，其威力會(huì)超過(guò)核武器。現(xiàn)代海戰(zhàn)三大決勝武器：航空母艦、導(dǎo)彈、核潛艇將成為戰(zhàn)場(chǎng)的配角，量子武器將成為戰(zhàn)場(chǎng)的主宰，因?yàn)榱孔游淦餮b備具有其他武器裝備所不可及的優(yōu)勢(shì)，其威力也遠(yuǎn)超核武器。安裝在艦艇上的量子武器，能夠?qū)θ魏斡型{的目標(biāo)一掃而光，從而有效地震懾對(duì)方。另外，量子武器也能用來(lái)引發(fā)發(fā)電站、化工廠、武器庫(kù)等的劇烈爆炸。

（1）反物質(zhì)武器。所謂反物質(zhì)，是與物質(zhì)相對(duì)而言的，組成物質(zhì)的微觀粒子是分子（分子是由原子構(gòu)成的）或原子，原子是由帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子構(gòu)成的；反原子則是由帶正電的電子和帶負(fù)電的原子核構(gòu)成的，反物質(zhì)就是由反原子構(gòu)成的。當(dāng)反物質(zhì)與物質(zhì)發(fā)生碰撞時(shí)就會(huì)將所有的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，放射出巨大的能量，所產(chǎn)生的爆炸力和破壞力極強(qiáng)。

（2）量子激光器?！蹲匀弧す庾訉W(xué)》雜志刊發(fā)文章，美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種高為2μm 的表面發(fā)射激光，能夠?qū)崿F(xiàn)單一芯片上的光學(xué)連接，這極大提高了新一代計(jì)算機(jī)微處理器上實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)連接，從而提高計(jì)算機(jī)的整體效能。激光器會(huì)使光子學(xué)與電子學(xué)共存于一個(gè)芯片上，使得制造可用于通信、計(jì)算、傳感等多重功能的超級(jí)芯片成為可能，對(duì)計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)處理、運(yùn)輸?shù)扔泻艽蟪潭鹊奶岣?。由于量子線和量子點(diǎn)跟量子阱相比具有更強(qiáng)的量子限制效應(yīng)，所以量子激光器具有更低的電流閾值密度，更高的增益和特征溫度等優(yōu)越特性。

（3）量子衛(wèi)星。隨著2016 年8 月我國(guó)成功發(fā)射世界首顆“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，預(yù)示著我國(guó)量子通信技術(shù)步入世界前沿。

量子通信可以突破現(xiàn)有信息技術(shù)的物理極限，在處理速度、安全保密、空間容量等方面將會(huì)發(fā)生質(zhì)的飛躍，被譽(yù)為信息安全的“終極武器”。在戰(zhàn)時(shí)，信息就是戰(zhàn)斗力，也是戰(zhàn)斗能力的關(guān)鍵因素之一，信息目標(biāo)的得失成為戰(zhàn)爭(zhēng)取得成敗的重要標(biāo)志，從某種程度上講，信息資源也是國(guó)防資源。量子通信是使用量子態(tài)作為信息的載體，并把量子糾纏作為信道，將該量子態(tài)由一地傳送到另一地的一種通信方式，量子糾纏網(wǎng)絡(luò)可用于局域量子因特網(wǎng)和分布量子計(jì)算，也可用于遠(yuǎn)程量子網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)量子的“云計(jì)算”。

量子通信之所以能夠?qū)崿F(xiàn)安全的保密信息，是因?yàn)榱孔用荑€分發(fā)的無(wú)條件安全性，量子密鑰分發(fā)的理論基礎(chǔ)就是量子力學(xué)的量子態(tài)不可克隆定理和海森堡不確定關(guān)系；此外量子通信還具有抗干擾能力強(qiáng)、信噪比低，傳輸信息量豐富等特征。基于此，量子通信在對(duì)潛、對(duì)空等特殊通信應(yīng)用領(lǐng)域，更能夠發(fā)揮其無(wú)傳輸介質(zhì)限制、高效、安全等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。另外，量子精密測(cè)量，為高精度定位和導(dǎo)航提供了可能，可用于遠(yuǎn)海艦艇及潛水艇導(dǎo)航。

（4）量子計(jì)算機(jī)。量子力學(xué)在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用使得量子計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，其之所以引起計(jì)算機(jī)理論領(lǐng)域的革命，優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在量子并行算法上。例如用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300 位的大數(shù)需要15 萬(wàn)年，而萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需要1s。量子計(jì)算可以加快某些函數(shù)的運(yùn)算速度；量子因特網(wǎng)具有安全性，并集信息處理和傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)多端分布計(jì)算，降低通信復(fù)雜度。量子計(jì)算機(jī)的一般工作原理如圖1 所示。其中，幺正變換操作需要使用量子算法進(jìn)行量子編程。

圖1 量子計(jì)算機(jī)工作原理

量子信息科學(xué)的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真正意義上的量子計(jì)算機(jī)和實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的、可實(shí)用化的長(zhǎng)程量子通信。眾所周知，信息戰(zhàn)是高新技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中的一種新的作戰(zhàn)樣式，其表現(xiàn)形式為戰(zhàn)場(chǎng)上的信息對(duì)抗行動(dòng)，其中保護(hù)好己方信息是信息戰(zhàn)的基本特征之一。由于量子計(jì)算機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中不能對(duì)量子態(tài)測(cè)量，因?yàn)闇y(cè)量會(huì)使量子態(tài)發(fā)生改變，即未知量子比特不可能精確復(fù)制，使得每個(gè)復(fù)制比特與初始量子比特相同，此性質(zhì)有利的一方面是從根本上保證了無(wú)法竊聽(tīng)量子通訊信道，有效地杜絕了對(duì)方通過(guò)計(jì)算機(jī)滲透竊取己方情報(bào)的信息的目的，從而在信息戰(zhàn)中奪取“制信息權(quán)”。

3 結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)軍興軍，歸根到底要落實(shí)到提高軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力這個(gè)根本上來(lái)，高端武器是高新技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶。在戰(zhàn)場(chǎng)上，科學(xué)技術(shù)就是戰(zhàn)斗力，軍事高技術(shù)的發(fā)展水平的高低將直接決定是否占據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)上的主動(dòng)，以量子技術(shù)為核心的高新技術(shù)正以前所未有的廣度和深度向軍事領(lǐng)域滲透。量子技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)帶來(lái)深刻影響，產(chǎn)生全新的戰(zhàn)爭(zhēng)理念。