太空中的可视化量子应用。使用各种基于量子技术的系统的量子战概念。量子技术在网络中的应用。量子技术在C4ISR中的应用。

米歇尔·克雷利纳 丹尼斯·杜布拉夫切克
　　引言
量子技术（QT）以量子力学为基础，这是一门已有一百多年历史的学科。量子力学的第一个应用，被称为量子革命1.0，包括核裂变、激光、半导体等。第一次量子革命已经并且仍将对社会的各个方面产生了深远的影响，从军事和国际安全到原子武器、芯片、计算机和精确导航的发展。
　　现在，我们正在进入量子革命2.0时代，我们正在利用量子物理学在已知物理学极限下的所谓“奇怪”定律的全部光谱。在量子革命2.0中，我们利用了单个量子系统的行为，如电子、原子、原子核、分子、准粒子等。量子技术不会像核武器和激光武器那样引入全新的武器，而是改善和提高目前的传感、通信和计算能力。尽管量子技术的大多数方面仍然是基础研究而不是应用研究的形式，但我们可以预见到几个高度相关的国防应用。
　　量子技术一直处于发达国家长期国防规划的最前沿。2021年2月，北约国防部长批准了《新兴和颠覆性技术》（EDT）战略，促进以协调一致的方法开发和采用军民两用技术，量子技术是该战略中推动的九个技术领域之一。
　　北约组织、机构和成员国正在积极研究量子技术，包括理论和实验，以应对固有的关键技术挑战。在2021年北约峰会上，北约国家领导人启动了北大西洋国防创新加速器（DIANA），其中有一个专门负责量子技术的分支机构。重要的是，量子技术是北约研究感兴趣的主题。此外，北约科技组织“2020~2040年科学技术趋势”其中包括了北约量子技术的基础和期望，而北约国家军备主任会议讨论了量子技术的实施计划。
　　这里需要强调的是，大多数量子技术目前处于较低的技术准备水平（TRL），因此难以准确预测实际性能、功能、所有可能的应用和时间表。这被称为“科林里奇困境”，适用于：
　　a）在技术得到广泛开发和广泛使用之前不容易预测影响；
　　b）当技术变得根深蒂固时，控制或改变是困难的。
　　在本文中，我们旨在通过简要介绍量子技术的关键要素，其基本应用，在空中和太空领域的潜在用途来建立对量子技术的认识，并为现场量子技术设定现实的期望。
　　关键要素
为什么量子技术如此有趣和重要？从理论上讲，使用基本量子物理学的原理可以导致计算的指数级加速、传感器灵敏度的显著提高以及前所未有的安全通信。总体而言，量子信息科学学科涵盖了这些领域。在我们考虑单个量子技术之前，必须了解一些基础知识。我们将进一步研究的量子技术革命的关键特征是量子比特，量子叠加，量子纠缠，不可克隆定理和量子隧穿。
　　量子比特是经典信息比特的量子类比。经典比特只能具有0或1的值，而量子比特由量子态描述。量子叠加意味着一个量子比特可以同时表示两种状态。这种行为对增强计算能力具有重要意义。使用N个量子比特，我们可以表示2N个状态（即表示的状态的数量随着量子比特的数量呈指数增长）。请注意，当量子算法结束时应用量子测量时，整个叠加态只会坍缩成一种状态。因此，我们必须多次运行一个算法，并根据各个状态的统计分布得出结论。通过多次重复，我们可以达到指数速度。然而，计算能力的这种增加需要开发新的量子算法并脱离传统计算。还有许多技术复杂性挑战了我们大规模完成量子计算的能力。
　　不可克隆定理指出，量子比特（或一般的任意量子态）的量子数据不能被复制或克隆。一方面，由于需要更复杂的量子纠错，这对增加量子计算机的复杂性产生了重大影响。量子误差被间接纠正，因为如上所述，对实际状态的测量将导致其破坏。另一方面，它提供了前所未有的安全应用无法被窃听。入侵者的干涉需要量子测量，这将导致量子坍缩到一种状态。通过比较发送方和接收方的测量值，可以很容易地发现这种情况。
　　量子纠缠是另一个关键概念，指的是两个或多个量子比特之间的强相关性，这种联系没有经典类比。简而言之，任何对其中一个纠缠量子比特的量子操作都会对其他连接的量子比特产生即时影响，无论它们之间的距离或障碍如何。因此，量子纠缠是大多数量子点的基本特征，允许它们达到海森堡不确定性原理定义的当前物理学的基本极限，也是许多量子算法的关键要素。
　　一般来说，量子比特和量子传感系统可以使用不同的量子物理特性来实现，例如，超导电子学中的电流，极化或光子的数量，或电子、原子核、分子的自旋或能量状态。所有这些量子系统都非常脆弱，许多只能在接近绝对零度（约-273℃）的温度下操纵。因此，上述量子特性不能直接应用于武器，因为即使是最轻微的干扰也会导致量子信息或量子传感器灵敏度的损失。有了对基础科学的基本认识，让我们考虑潜在的应用。
　　基本应用
为了正确理解潜在的好处，我们将量子技术分为三类：量子计算，量子网络和通信，以及量子传感和成像。
　　量子计算代表通用可编程量子计算机、量子退火器（一种不完美的绝热计算）和量子模拟器，它们可以提供比经典计算机相当大的计算优势。然而，尽管人们普遍误解处理速度的指数级增长会影响并接管所有经典计算机的任务和应用程序，但量子计算机只会在某些高度复杂和具有挑战性的计算问题上有效。此类问题的例子包括量子模拟（化学和药物研究的分子模拟，新材料开发等），量子密码分析（打破通常用于加密电子邮件，语音和视频通话，数据传输和远程访问内部网的大多数非对称加密方案），更快的搜索，更快的线性或微分方程求解，量子优化（如供应链优化，物流、投资组合或定制药物），以及量子增强的机器学习。目前，用于实际部署的量子计算至少还需要十年的时间，并且不会取代经典计算机。
　　量子网络和通信旨在通过各种通道传输量子信息（量子比特），例如光纤线路或自由空间通信。第一代量子网络中唯一的实际用途是量子密钥分发（QKD）。与传统的非对称加密（也称为公钥加密）相比，QKD的一个显著优势是任何拦截或窃听尝试都会立即被注意到。QKD可与光纤一起使用，许多商业自由空间QKD服务将在未来2到5年内推出。通常，QKD通常被描述为不可破解。然而，这仅适用于正确实现的量子信息传输；由经典计算机控制的端点仍将是进攻性网络行动的目标。
　　下一代量子网络，称为量子信息网络（QIN）或量子互联网，其分布纠缠量子比特的能力不同。QIN将提供更多与安全相关的服务，如安全识别、位置验证、分布式量子计算等。重要的技术应用也将导致高精度时钟同步和网络量子传感器。实现QIN的最大障碍是需要可靠的量子内存来存储量子信息，以便在具有许多中间节点的网络上进行同步和分发。预计QIN将在本世纪30年代出现。
　　量子传感旨在更精确地测量各种物理变量，如磁场或电场、重力梯度、加速度旋转和时间。改进的时间测量可用于更精确的时钟（许多当前技术使用），量子惯性导航，地下和海底勘探，更有效的射频通信等。
　　量子传感是最发达的量子技术，平均技术成熟度水平（TRL）最高，但部署的传感器的有效性仍然非常不确定。然而，军事应用需要具有低尺寸、重量和功耗（SWaP）的便携式或移动解决方案。同时，量子传感器的空间分辨率需要提高，因为它通常与灵敏度成反比。例如，从太空探测潜艇是具备可能性的，但使用现有有用精度的量子传感器是不可能的，因为空间分辨率的所需条件会导致灵敏度不足。另一方面，一些量子传感器，如量子导航中的量子传感器，预计将在未来5年内在相关现场环境中进行测试。
　　量子成像是量子光学的一个子领域，与量子传感器（测量一些外部量）相比，它是活跃的（即发射一些信号并且需要检测其反射）。对于任何传感器，信噪比（SNR）代表了其灵敏度的基本极限。然而，使用量子纠缠可以达到明显更高的信噪比，因为如果没有额外的纠缠知识，信号本身在背景噪声中可能无法识别。量子成像可以改进现有技术，如量子雷达、三维相机、拐角相机、气体泄漏相机和低能见度视觉设备。
　　最后，后量子密码学（PQC），也称为抗量子密码学，根本不是量子技术，而是当前非对称密码学的演变。后量子密码学依赖于更高级的数学，即使对于量子计算机来说，也更难计算。因此，后量子密码学可以简单地想象为对现有系统的软件/硬件更新，尽管它们通常对计算要求更高。原则上，永远无法证明后量子密码学是绝对安全的，因为可能会出现新的经典或量子加密分析攻击。尽管如此，后量子密码学将很快可用，并且在可预见的未来能够抵御量子攻击。例如，根据美国国家安全局的建议，美国政府于2022年发布了一份备忘录，为各机构提供方向，以便在2035年之前开始向后量子密码学迁移并全面实施。但是，美国国土安全部的目标是到2030年迁移其系统。
　　空中和太空中的量子技术
尽管量子技术具有广阔的潜力和真正的转型愿望，但由于其复杂性，非专业人士仍然对它知之甚少，其重要性经常被夸大和炒作。目前，主要处于实验室阶段，技术成熟度水平较低，这使得对未来效用、能力或其未来将发挥的作用的现实估计变得复杂。
　　量子雷达是一种量子成像系统，其工作原理类似于经典雷达。从理论上讲，它具有各种优点，例如，更高的抗噪性、隐身性（极低的强度，因此检测概率低）和可能的目标识别。量子激光雷达（光探测和测距）的原理已经在实验室中成功演示。然而，对许多类型的地面雷达至关重要的微波技术目前似乎不可行。尽管如此，天基量子激光雷达在光学系统中的应用在中长期内仍然是可行的。相反，更精确的量子或光学原子钟可以提高当前雷达和电子战系统的性能。
　　自由空间量子通信将成为未来量子互联网的重要渠道，并将导致量子通信资产在空中和太空中的更高存在。在未来5年内，自由空间量子通信不太可能成为军事或政府卫星通信服务的一部分，因为它的实施需要新的基础设施和更多的投资。此外，目前的性能对于实际使用来说太低了，量子网络的低密度使其非常脆弱。然而，量子通信仍将出现在航空航天领域，主要用于研发、概念验证演示和实验性（主要是商业应用）。
　　随着可靠的量子存储器和高速量子光学器件的到来，情况将发生变化。然后，具有重要空间存在的量子互联网可能会在2030年之后开始建立。未来，有机会在存在重大技术重叠的情况下，通过激光通信实现量子通信。激光通信将提供由量子通信保护的高速数据传输。量子密码学目前被认为是后量子密码学的二次开发工作。后量子密码学是当今的首选解决方案，因为它可能只是一个软件更新，具有更短的部署时间，并且可以使用当前的经典网络或互联网基础设施。
　　量子技术最有趣的应用之一是情报，监视和侦察（ISR）。单个量子技术提供各种传感和成像系统，可显著改善现有的情监侦系统。此外，将量子情监侦系统功能与传统功能融合可能会通过利用两者的优势并抵消两者的劣势，从而开启情监侦系统的新时代。然而，完全实现这些可能性将取决于量子计算和通信。
　　量子磁力计和重力计就是两个例子。量子磁力计检测磁场，例如局部磁异常或微弱的生物磁信号。量子磁传感器正在开发中，用于检测产生局部磁异常的金属物体，例如地雷、简易爆炸装置、潜艇、伪装车辆和地下掘进机械。它们还可以作为水下导航的替代方法。量子重力仪正在开发用于地下监视系统，并经过测试以检测地下结构，如洞穴、隧道、掩体、研究设施或导弹发射井。这两种传感器都可以部署在机载系统或低地球轨道的空间资产上。
　　最接近实际部署的量子技术是量子射频（RF）接收器。量子射频接收器具有改进的功能，例如更宽的频段、更好的信噪比（SNR）、更小的尺寸、更好的到达角检测、自校准、没有金属部件产生额外的噪声、以光学状态输出允许更快的信号处理，以及测量弱场和强场。在国防方面，量子射频接收器可以接收先进的低拦截概率/低检测概率（LPI/LPD）通信和超视距射频信号，抵抗射频干扰和干扰，射频测向和太赫兹频率成像。未来，量子射频接收器可以成为多个系统的标准射频接收器，例如5G和物联网。量子射频接收器有望扩展我们的通信、改进对手信号的检测以及校准现有的射频设备。
　　量子成像系统可以进一步发挥情报、监视、目标获取和侦察的作用。其中包括全天候、昼夜战术感知，远程/短程、主动/被动状态和隐身探测模式。它们可以在有云、雾、灰尘、烟雾和丛林树叶的环境中或夜间作为低光或低信噪比视觉设备工作；例如，协助直升机飞行员在多尘、多雾或烟雾弥漫的环境中着陆。
　　量子惯性导航是航空领域的另一种相关技术，类似于经典惯性导航，但使用量子传感器。单个部件正在实验室和相关环境中进行测试，其稳定性足以用于军事用途。然而，创建一个完整的量子惯性测量单元仍然具有挑战性。一般预期是，与目前的海洋级惯性导航（用于军舰和潜艇）相比，量子惯性导航每月的漂移率仅为几百米，定位误差为1.8千米/天。第一批用户可能是重量和功耗参数限制最少的潜艇。随着时间的推移，我们可以期待飞机、无人机和导弹的更多小型化和部署。
　　量子计算在许多应用中具有巨大的潜力，例如改进的机器学习和人工智能、更好的空气动力学设计、更快的模拟等。所有这些都有望在情监侦系统处理、指挥与控制等领域带来重大改进。