刘杰：量子技术的军事和商业应用前景

 

2021年10月28日，美国知名智库兰德公司发布《量子技术的商业和军事应用及时间表》报告，该报告是受美国国防部资助撰写的。报告对量子技术的应用前景及期望时间进行了分析研判。

 

 

一、应用概述

 

量子技术的应用领域通常可以分为：

 

（一）量子传感

 

可用于生物医学成像、增强成像和雷达，以及GPS拒止环境下导航。距离实用较近。

 

（二）量子通信

 

可用于安全通信，防止被拦截和窃取。量子通信尽管被称为“不可破解”的通信，但仍存在安全漏洞，许多美国专家对其安全性持怀疑态度。量子通信已具有一定应用，应用规模：中国>欧盟>美国。

 

还可用于量子计算机联网。但距离实用较远。

 

（三）量子计算

 

可用于生物化学、材料科学、药物发现和(未来)机器学习。另外，量子计算还会威胁到目前用于保护几乎所有互联网数据的公钥加密的安全性。目前，量子计算技术还不成熟，距离实用很远。一旦部署成功，将产生颠覆性影响。

 

世界科技强国都投入大量资源开发量子技术。美国和中国总体处于领先地位，加拿大、英国、欧盟、日本和澳大利亚是重要的研究力量。

美国在量子计算和量子传感领域处于领先地位，而中国在量子通信领域处于领先地位。

 

应用 领域	量子传感	量子通信	量子计算
描述	用于探测时间、加速度、磁场和电磁辐射的传感器	利用光的量子特性传输信号	能够同时处理大量信息的新计算技术
应用	-用于GPS拒止环境下导航的惯性导航系统和磁测量系统； -改进用于情报监视侦察的激光雷达和普通雷达	-难以拦截的安全通信 -将量子传感器和计算机联网	-先进材料设计 -生物化学 -药物设计 -数字优化(如物流) -密码破解
时间	-导航应用需要几年 -雷达应用需要10年以上	-安全通信应用已经在中国、欧盟和日本出现 -网络应用需要很多年	-基础应用需要5年 -重要应用需要10年
地位	公开报道较少，美国和英国比较领先	中国第一，其次是日本、韩国和欧盟	美国第一，其次是加拿大和欧盟

 

二、量子传感

 

（一）量子计量

 

1.量子传感器

 

应用于对时间、加速度、电场、磁场或重力场进行高灵敏度测量的传感器。高精度钟的商业应用前景广阔，例如高频金融交易和智能电网的动态调节。灵敏的重力仪可用于地震和火山喷发预测；地下石油和天然气勘探；大型建筑土地坚固性评估（无需钻孔）。德国博世公司正在探索将量子加速度计应用于汽车，特别是自动驾驶汽车。量子磁力计可用于生物医学领域，例如改进磁共振成像(MRI)和正电子发射断层扫描(PET)设备等。

 

2.量子导航

 

地球的引力场和磁场会随着地理位置的变化而产生微小的变化。灵敏的重力计或磁力计可以对特定地点的磁场进行精确测量。将其与引力场或磁场分布图进行比较，就可以确定所处位置。这种技术无需外部通信设备，所以可用于GPS拒止环境下导航。然而，磁场导航需要提前绘制目标区域的磁场分布图，这在拒止区域中有难度。

 

灵敏的加速度计可以实现高精度的惯性导航。据估计，量子定位导航授时系统可以使潜艇的定位精度提高1000倍。这种技术不依赖外部通信，不会被拦截和干扰。

 

2019年，洛克希德·马丁公司设计出一种在GPS拒止环境下导航的量子磁力计原型机。美国初创公司ColdQuanta受美国国防部资助，也在开发量子定位系统。“五眼联盟”国家公布了一项支持量子导航的计划，其目标是2022年在舰船上使用量子传感器实现导航。美国空军科学咨询委员会表示，量子导航传感器可能在2020-2025年间达到技术成熟度6级。

 

（二）量子成像

 

量子成像包括对可见光和射频辐射的探测(即雷达)。其中最有前景的两个应用是鬼成像和量子照明。

 

1.鬼成像

 

鬼成像利用光的量子特性，使用成像目标难以探测的微弱照明光束来探测目标。鬼成像光束能够强力穿透烟雾和云层等大气层阻挡物进行探测。美国陆军研究实验室计划从地面、无人飞行器或卫星上使用鬼成像技术进行远距离情报监视侦察。除军事应用外，鬼成像还可用于天气预报或灾害防治(如火灾监测)。这种技术在烟雾或强烈的大气湍流中特别有效，陆军研究实验室已在2.33公里的距离上进行了演示。鬼成像技术可能会在几年内投入商业应用。

 

鬼成像还可用于秘密行动。鬼成像可以提供比标准成像分辨率更高的图像，特别是在光照非常弱的环境中。此外，即使信号光束被探测到，编码图像也不能被截获，因为解码图像所需的部分信息存储在成像设备中。鬼成像还可用于生物样本成像，以保护脆弱的生物样本免受正常光照损坏。

 

2.量子照明

 

量子照明在概念上类似于鬼成像，但可以提供更高的灵敏度。目前，已从数学上证明，量子照明设备的信噪比比理想的传统照明设备高6分贝。该技术可用于量子雷达。理论上，量子雷达在高噪声背景下可以很好地探测低反射率目标，因此它具有探测隐身飞机的潜力。信噪比提高6分贝可以使雷达最大探测距离增加41%。此外，量子雷达的信号在原则上极难被截获或干扰。

 

公开文献中还没有大尺寸量子雷达的报道，但已有桌面演示原型机。其中一个原型机成功证明了其信噪比高于非量子设备的理想信噪比。

 

与鬼成像一样，量子照明可以使用很弱的信号光束。因此，量子照明也可应用于生物医学成像，探测可能会被传统成像设备的强信号光束损坏的生物组织。

 

量子雷达研究还处于早期阶段。量子雷达原则上能够提高距离的测量精度，但不能提高方向的测量精度。2020年的一篇论文改进了理论设计方法，能够同时提高目标距离和方向的测量精度。但这种新方法也不能跟踪目标的速度或运动方向，而现有的雷达可以通过多普勒效应实现。综上，量子雷达的设计没有重大进展，军事应用前景仍然有限。

 

三、量子通信

 

量子通信主要是通过量子密钥分发(QKD)的方法保护通信安全。在这种方法中，加密密钥以光子的形式在通信双方之间传输。由于光子具有量子特性，在物理上，不可能观察光子而不对其进行修改，因此任何截获者原则上必然会在数据流中留下签名。如果通信双方交换了一个未中断的加密密钥，那么就可以确定密钥传输没有被截获，加密数据也不可能被解码。因此，量子通信被称为“无法破解”的通信。

 

然而，上述场景简化了量子密钥分发的过程。实际上，一些技术上的细节会导致漏洞，商业上也已经被反复证明存在安全漏洞。此外，即使通信信道没有受到物理干扰，信号仍然需要由易受黑客攻击的计算机进行编码和解码，因此这种方法不足以确保通信安全。

 

量子密钥分发已通过三种不同的物理介质进行了演示:光缆、自由空间和卫星。光缆是最常见的介质，但传输端必须是固定的，而且光子在传播几百公里后会退化。自由空间允许传输端移动，但需要直接的视距传输，大气干扰会限制最大传输距离。2017年和2018年，中国量子通信卫星“墨子号”加密了中国和奥地利之间的通信。截至目前，“墨子号”是世界上唯一一颗量子密钥分发演示卫星。

 

目前，通过光缆的量子密钥分发已经具备了一定的商业应用。瑞士ID Quantique公司在荷兰电信数据中心之间、瑞士银行之间以及瑞士政府选举中心之间建立了量子密钥分发通道。中国建立了连接北京和上海的量子通信网络“京沪干线”。2020年，日本东芝通过量子密钥分发传输了数百吉字节的人类基因组数据，创造了世界纪录。

 

四、量子计算

 

量子计算是量子技术最重要的应用，但距离实用最远。原则上，量子计算机可以比标准计算机(也称为经典计算机)更快地进行特定的计算，这使得量子计算机可以解决某些在标准计算机上完全无法解决的问题。然而，解决特定问题的量子计算机算法很少。对于许多计算问题，量子计算机并没有表现出比经典计算机明显的优势。因此，研发一台有用的量子计算机，仍是一个巨大的挑战，目前只有小规模的原型机。

 

量子计算机还可用于先进材料和生物化学模拟，包括药物发现和碳捕获。因为量子力学解释了这些材料的基本物理特性，所以量子计算机非常适合进行模拟。例如，可以使用一个中等大小的量子计算机来提高使用哈伯-博世工艺制备工业氨的效率。目前制备氨消耗的能源占世界能源产量的2%(主要用于化肥制造)。这一工艺的效率即使略有提高，每年也能节省数十亿美元。

 

2019年10月，谷歌宣布利用一台名为Sycamore的53量子比特的量子计算机实现了量子霸权（超过50量子比特）。据称，该计算机在几分钟内进行了一项计算，这项计算需要世界上最快的超级计算机计算超过1万年。

 

五、其他

 

（一）量子存储器

 

在量子计算机中长时间存储信息，需要稳定的量子存储器。量子存储器也可以提高量子通信技术的安全性和量子雷达的探测范围。

 

（二）光量子计算

 

用于长距离量子通信的光量子比特也可以用于量子计算。但目前，光量子比特不是最有潜力的。

 

（三）量子网络

 

量子技术的长期应用，被称为量子网络(或量子互联网)。量子网络将综合应用前述三种技术。通信节点的量子网络非常安全，并且能够实现分布式的量子传感和量子计算等。

 

文章来源于航天防务 ，作者刘杰