太空中的可視化量子應(yīng)用。
使用各類基于量子技術(shù)的系統(tǒng)的量子戰(zhàn)概念。
量子技術(shù)在網(wǎng)路中的應(yīng)用。
量子技術(shù)在C4ISR中的應(yīng)用。
量子技術(shù)（QT）以量子熱學(xué)為基礎(chǔ)，這是一門已有一百多年歷史的學(xué)科。量子熱學(xué)的第一個應(yīng)用，被稱為量子革命1.0，包括核裂變、激光、半導(dǎo)體等。第一次量子革命早已而且仍將對社會的各個方面形成了深遠的影響，從軍事和國際安全到原子裝備、芯片、計算機和精確導(dǎo)航的發(fā)展。
如今，我們正在步入量子革命2.0時代，我們正在借助量子化學(xué)學(xué)在已知化學(xué)學(xué)極限下的所謂“奇怪”定律的全部波譜。在量子革命2.0中，我們借助了單個量子系統(tǒng)的行為，如電子、原子、原子核、分子、準粒子等。量子技術(shù)不會像核裝備和激光裝備那樣引入全新的裝備，而是改善和提升目前的傳感器、通信和估算能力。雖然量子技術(shù)的大多數(shù)方面一直是基礎(chǔ)研究而不是應(yīng)用研究的方式，但我們可以預(yù)看到幾個高度相關(guān)的國防應(yīng)用。
量子技術(shù)仍然處于發(fā)達國家常年國防規(guī)劃的最前沿。2021年2月，俄軍國防主任批準了《新興和顛覆性技術(shù)》（EDT）戰(zhàn)略，推動以協(xié)調(diào)一致的方式開發(fā)和采用軍民兩用技術(shù)，量子技術(shù)是該戰(zhàn)略中推進的九個技術(shù)領(lǐng)域之一。
俄軍組織、機構(gòu)和成員國正在積極研究量子技術(shù)，包括理論和實驗，以應(yīng)對固有的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。在2021年俄軍大會上，俄軍國家領(lǐng)導(dǎo)人啟動了清華西洋國防創(chuàng)新加速器（DIANA），其中有一個專門負責(zé)量子技術(shù)的分支機構(gòu)。重要的是，量子技術(shù)是俄軍研究感興趣的主題。據(jù)悉，俄軍科技組織“2020~2040年科學(xué)技術(shù)趨勢”其中包括了俄軍量子技術(shù)的基礎(chǔ)和期望，而俄軍國家軍備部長大會討論了量子技術(shù)的施行計劃。
這兒須要指出的是，大多數(shù)量子技術(shù)目前處于較低的技術(shù)打算水平（TRL），因而無法確切預(yù)測實際性能、功能、所有可能的應(yīng)用和時間表。這被稱為“科林里奇窘境”，適用于：
a）在技術(shù)得到廣泛開發(fā)和廣泛使用之前不容易預(yù)測影響；
b）當(dāng)技術(shù)顯得根深蒂固時，控制或改變是困難的。
在本文中，我們致力通過簡略介紹量子技術(shù)的關(guān)鍵要素，其基本應(yīng)用，在空中和太空領(lǐng)域的潛在用途來構(gòu)建對量子技術(shù)的認識，并為現(xiàn)場量子技術(shù)設(shè)定現(xiàn)實的期望。
關(guān)鍵要素
為何量子技術(shù)這么有趣和重要？從理論上講，使用基本量子化學(xué)學(xué)的原理可以造成估算的指數(shù)級加速、傳感器靈敏度的明顯提升以及前所未有的安全通訊。總體而言，量子信息科學(xué)學(xué)科囊括了那些領(lǐng)域。在我們考慮單個量子技術(shù)之前，必須了解一些基礎(chǔ)知識。我們將進一步研究的量子技術(shù)革命的關(guān)鍵特點是量子比特，量子疊加，量子糾纏，不可克隆定律和量子隧穿。
量子比特是精典信息比特的量子類比。精典比特只能具有0或1的值，而量子比特由量子態(tài)描述。量子疊加意味著一個量子比特可以同時表示兩種狀態(tài)。這些行為對提高估算能力具有重要意義。使用N個量子比特，我們可以表示2N個狀態(tài)（即表示的狀態(tài)的數(shù)目隨著量子比特的數(shù)目呈指數(shù)增長）。請注意，當(dāng)量子算法結(jié)束時應(yīng)用量子檢測時，整個疊加態(tài)只會坍縮成一種狀態(tài)。為此，我們必須多次運行一個算法，并按照各個狀態(tài)的統(tǒng)計分布得出推論。通過多次重復(fù)，我們可以達到指數(shù)速率。但是，估算能力的這些降低須要開發(fā)新的量子算法并脫離傳統(tǒng)估算。還有許多技術(shù)復(fù)雜性挑戰(zhàn)了我們大規(guī)模完成量子估算的能力。
不可克隆定律強調(diào)，量子比特（或通常的任意量子態(tài)）的量子數(shù)據(jù)不能被復(fù)制或克隆。一方面，因為須要更復(fù)雜的量子糾錯，這對降低量子計算機的復(fù)雜性形成了重大影響。量子偏差被間接糾正，由于如上所述，對實際狀態(tài)的檢測將造成其破壞。另一方面，它提供了前所未有的安全應(yīng)用無法被監(jiān)聽。入侵者的干涉須要量子檢測，這將造成量子坍縮到一種狀態(tài)。通過比較發(fā)送方和接收方的檢測值，可以很容易地發(fā)覺這些情況。
量子糾纏是另一個關(guān)鍵概念，指的是兩個或多個量子比特之間的強相關(guān)性，這些聯(lián)系沒有精典類比。簡而言之，任何對其中一個糾纏量子比特的量子操作還會對其他聯(lián)接的量子比特形成即時影響，無論它們之間的距離或障礙怎么。為此，量子糾纏是大多數(shù)量子點的基本特點，容許它們達到海森堡不確定性原理定義的當(dāng)前數(shù)學(xué)學(xué)的基本極限，也是許多量子算法的關(guān)鍵要素。
通常來說，量子比特和量子傳感器系統(tǒng)可以使用不同的量子化學(xué)特點來實現(xiàn)，比如，超導(dǎo)電子學(xué)中的電壓，極化或光子的數(shù)目，或電子、原子核、分子的載流子或能量狀態(tài)。所有這種量子系統(tǒng)都十分脆弱，許多只能在接近絕對零度（約-273℃）的氣溫下操縱。為此，上述量子特點不能直接應(yīng)用于裝備，由于雖然是最輕微的干擾也會造成量子信息或量子傳感靈敏度的損失。有了對基礎(chǔ)科學(xué)的基本認識，讓我們考慮潛在的應(yīng)用。
基本應(yīng)用
為了正確理解潛在的益處，我們將量子技術(shù)分為三類：量子估算，量子網(wǎng)路和通訊，以及量子傳感器和成像。
量子估算代表通用可編程量子計算機、量子固溶器（一種不完美的絕熱估算）和量子模擬器，它們可以提供比精典計算機相當(dāng)大的估算優(yōu)勢。但是，雖然人們普遍誤讀處理速率的指數(shù)級下降會影響并接管所有精典計算機的任務(wù)和應(yīng)用程序，但量子計算機只會在個別高度復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的估算問題上有效。這種問題的事例包括量子模擬（物理和抗生素研究的分子模擬，新材料開發(fā)等），量子密碼剖析（打破一般用于加密電子電郵，語音和視頻通話，數(shù)據(jù)傳輸和遠程訪問內(nèi)部網(wǎng)的大多數(shù)非對稱加密方案），更快的搜索，更快的線性或微分等式求解，量子優(yōu)化（如供應(yīng)鏈優(yōu)化，貨運、投資組合或訂制抗生素），以及量子提高的機器學(xué)習(xí)。目前，用于實際布署的量子估算起碼還須要六年的時間，而且不會代替精典計算機。
量子網(wǎng)路和通訊致力通過各類通道傳輸量子信息（量子比特），比如光纖線路或自由空間通訊。第一代量子網(wǎng)路中惟一的實際用途是量子秘鑰分發(fā)（QKD）。與傳統(tǒng)的非對稱加密（亦稱為私鑰加密）相比，QKD的一個明顯優(yōu)勢是任何攔截或監(jiān)聽嘗試就會立刻被注意到。QKD可與光纖一起使用，許多商業(yè)自由空間QKD服務(wù)將在未來2到5年內(nèi)推出。一般，QKD一般被描述為不可破解。但是，這僅適用于正確實現(xiàn)的量子信息傳輸；由精典計算機控制的端點仍將是逼搶性網(wǎng)路行動的目標(biāo)。
下一代量子網(wǎng)路，稱為量子信息網(wǎng)路（náo）或量子互聯(lián)網(wǎng)，其分布糾纏量子比特的能力不同。fú將提供更多與安全相關(guān)的服務(wù)，如安全辨識、位置驗證、分布式量子估算等。重要的技術(shù)應(yīng)用也將造成高精度時鐘同步和網(wǎng)路量子傳感。實現(xiàn)fú的最大障礙是須要可靠的量子顯存來儲存量子信息，便于在具有許多中間節(jié)點的網(wǎng)路上進行同步和分發(fā)。預(yù)計fú將在本世紀30年代出現(xiàn)。
量子傳感器致力更精確地檢測各類化學(xué)變量，如磁場或電場、重力梯度、加速度旋轉(zhuǎn)和時間。改進的時間檢測可用于更精確的時鐘（許多當(dāng)前技術(shù)使用），量子慣性導(dǎo)航，地下和海底鉆探，更有效的射頻通訊等。
量子傳感器是最發(fā)達的量子技術(shù)，平均技術(shù)成熟度水平（TRL）最高人類首次實現(xiàn)量子通訊，但布署的傳感的有效性依然十分不確定。但是，軍事應(yīng)用須要具有低規(guī)格、重量和幀率（SWaP）的便攜式或聯(lián)通解決方案。同時，量子傳感的空間幀率須要提升，由于它一般與靈敏度成正比。比如，從太空偵測導(dǎo)彈是具備可能性的，但使用現(xiàn)有有用精度的量子傳感是不可能的，由于空間碼率的所需條件會造成靈敏度不足。另一方面，一些量子傳感，如量子導(dǎo)航中的量子傳感，預(yù)計將在未來5年內(nèi)在相關(guān)現(xiàn)場環(huán)境中進行測試。
量子成像是量子光學(xué)的一個子領(lǐng)域，與量子傳感（檢測一些外部量）相比，它是活躍的（即發(fā)射一些訊號而且須要檢查其反射）。對于任何傳感，幀率（SNR）代表了其靈敏度的基本極限。但是，使用量子糾纏可以達到顯著更高的幀率，由于假如沒有額外的糾纏知識，訊號本身在背景噪音中可能難以辨識。量子成像可以改進現(xiàn)有技術(shù)，如量子雷達、三維單反、拐角單反、氣體泄露單反和低能見度視覺設(shè)備。
最后，后量子密碼學(xué)（PQC），亦稱為抗量子密碼學(xué)，根本不是量子技術(shù)，而是當(dāng)前非對稱密碼學(xué)的演進。后量子密碼學(xué)依賴于更中級的語文，雖然對于量子計算機來說，也更難估算。為此，后量子密碼學(xué)可以簡單地想像為對現(xiàn)有系統(tǒng)的軟件/硬件更新，雖然它們一般對估算要求更高。原則上，永遠沒法證明后量子密碼學(xué)是絕對安全的，由于可能會出現(xiàn)新的精典或量子加密剖析功擊。雖然這么，后量子密碼學(xué)將很快可用，但是在可預(yù)見的未來能否抵擋量子功擊。比如，按照英國國家安全局的建議，日本政府于2022年發(fā)布了一份備忘錄，為各機構(gòu)提供方向，便于在2035年之前開始向后量子密碼學(xué)遷移并全面施行。并且，日本國土安全部的目標(biāo)是到2030年遷移其系統(tǒng)。
空中和太空中的量子技術(shù)
雖然量子技術(shù)具有寬廣的潛力和真正的變革心愿，但因為其復(fù)雜性，非專業(yè)人士一直對它知之極少，其重要性常常被夸大和炒作。目前，主要處于實驗室階段，技術(shù)成熟度水平較低，這促使對未來效用、能力或其未來將發(fā)揮的作用的現(xiàn)實恐怕顯得復(fù)雜。
量子雷達是一種量子成像系統(tǒng)，其工作原理類似于精典雷達。從理論上講，它具有各類優(yōu)點，比如，更高的抗噪性、隱身性（極低的硬度，因而檢查機率低）和可能的目標(biāo)辨識。量子激光雷達（光偵測和測距）的原理早已在實驗室中成功演示。但是人類首次實現(xiàn)量子通訊，對許多類型的地面雷達至關(guān)重要的微波技術(shù)目前雖然不可行。雖然這么，天基量子激光雷達在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用在中常年內(nèi)一直是可行的。相反，更精確的量子或光學(xué)原子鐘可以提升當(dāng)前雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的性能。
自由空間量子通訊將成為未來量子互聯(lián)網(wǎng)的重要渠道，并將造成量子通訊資產(chǎn)在空中和太空中的更高存在。在未來5年內(nèi)，自由空間量子通訊不太可能成為軍事或政府衛(wèi)星通訊服務(wù)的一部份，由于它的施行須要新的基礎(chǔ)設(shè)施和更多的投資。據(jù)悉，目前的性能對于實際使用來說太低了，量子網(wǎng)路的低密度使其特別脆弱。但是，量子通訊仍將出現(xiàn)在民航航天領(lǐng)域，主要用于研制、概念驗證演示和實驗性（主要是商業(yè)應(yīng)用）。
隨著可靠的量子儲存器和高速量子光學(xué)元件的到來，情況將發(fā)生變化。之后，具有重要空間存在的量子互聯(lián)網(wǎng)可能會在2030年以后開始構(gòu)建。未來，有機會在存在重大技術(shù)重疊的情況下，通過激光通訊實現(xiàn)量子通訊。激光通訊將提供由量子通訊保護的高速數(shù)據(jù)傳輸。量子密碼學(xué)目前被覺得是后量子密碼學(xué)的二次開發(fā)工作。后量子密碼學(xué)是現(xiàn)今的首選解決方案，由于它可能只是一個軟件更新，具有更短的布署時間，而且可以使用當(dāng)前的精典網(wǎng)路或互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。
量子技術(shù)最有趣的應(yīng)用之一是情報，監(jiān)視和偵察（ISR）。單個量子技術(shù)提供各類傳感器和成像系統(tǒng)，可明顯改善現(xiàn)有的情監(jiān)偵系統(tǒng)。據(jù)悉，將量子情監(jiān)偵系統(tǒng)功能與傳統(tǒng)功能融合可能會通過借助二者的優(yōu)勢并抵消二者的劣勢，因而開啟情監(jiān)偵系統(tǒng)的新時代。但是，完全實現(xiàn)這種可能性將取決于量子估算和通訊。
量子磁力計和重力計就是兩個反例。量子磁力計測量磁場，比如局部磁異常或微弱的生物磁訊號。量子磁傳感正在開發(fā)中，用于測量形成局部磁異常的金屬物體，比如地雷、簡易爆燃裝置、潛艇、偽裝汽車和地下采煤機械。它們還可以作為水下導(dǎo)航的取代方式。量子重力儀正在開發(fā)用于地下監(jiān)視系統(tǒng)，并經(jīng)過測試以檢查地下結(jié)構(gòu)，如巖洞、隧道、掩體、研究設(shè)施或魚雷發(fā)射井。這兩種傳感都可以布署在機載系統(tǒng)或低月球軌道的空間資產(chǎn)上。
最接近實際布署的量子技術(shù)是量子射頻（RF）接收器。量子射頻接收器具有改進的功能，比如更寬的頻段、更好的雜訊（SNR）、更小的規(guī)格、更好的抵達角測量、自校正、沒有金屬部件形成額外的噪音、以光學(xué)狀態(tài)輸出容許更快的訊號處理，以及檢測弱場和強場。在國防方面，量子射頻接收器可以接收先進的低攔截機率/低測量機率（LPI/LPD）通訊和超視距射頻訊號，抵抗射頻干擾和干擾，射頻測向和太赫茲頻度成像。未來，量子射頻接收器可以成為多個系統(tǒng)的標(biāo)準射頻接收器，比如5G和物聯(lián)網(wǎng)。量子射頻接收器有望擴充我們的通訊、改進對手訊號的測量以及校正現(xiàn)有的射頻設(shè)備。
量子成像系統(tǒng)可以進一步發(fā)揮情報、監(jiān)視、目標(biāo)獲取和偵察的作用。其中包括全天候、晝夜戰(zhàn)術(shù)感知，遠程/近程、主動/被動狀態(tài)和隱身偵測模式。它們可以在有云、霧、灰塵、煙霧和叢林樹枝的環(huán)境中或夜晚作為低光或低碼率視覺設(shè)備工作；諸如，協(xié)助直升機飛行員在多塵、多霧或煙霧彌漫的環(huán)境中著陸。
量子慣性導(dǎo)航是民航領(lǐng)域的另一種相關(guān)技術(shù)，類似于精典慣性導(dǎo)航，但使用量子傳感。單個部件正在實驗室和相關(guān)環(huán)境中進行測試，其穩(wěn)定性足以用于軍事用途。但是，創(chuàng)建一個完整的量子慣性檢測單元依然具有挑戰(zhàn)性。通常預(yù)期是，與目前的海洋級慣性導(dǎo)航（用于潛艇和導(dǎo)彈）相比，量子慣性導(dǎo)航每月的飄移率僅為幾百米，定位偏差為1.8千米/天。第一批用戶可能是重量和幀率參數(shù)限制最少的導(dǎo)彈。隨著時間的推移，我們可以期盼客機、無人機和潛艇的更多大型化和布署。
量子估算在許多應(yīng)用中具有巨大的潛力，比如改進的機器學(xué)習(xí)和人工智能、更好的空氣動熱學(xué)設(shè)計、更快的模擬等。所有那些都有望在情監(jiān)偵系統(tǒng)處理、指揮與控制等領(lǐng)域帶來重大改進。