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劉杰：量子技術的軍事和商業應用前景

點擊：  作者：劉杰    來源：戰略前沿技術 微信號  發布時間:2021-11-06 12:38:08

 

2021年10月28日，美國知名智庫蘭德公司發布《量子技術的商業和軍事應用及時間表》報告，該報告是受美國國防部資助撰寫的。報告對量子技術的應用前景及期望時間進行了分析研判。

 

 

一、應用概述

 

量子技術的應用領域通常可以分為：

 

（一）量子傳感

 

可用于生物醫學成像、增強成像和雷達，以及GPS拒止環境下導航。距離實用較近。

 

（二）量子通信

 

可用于安全通信，防止被攔截和竊取。量子通信盡管被稱為“不可破解”的通信，但仍存在安全漏洞，許多美國專家對其安全性持懷疑態度。量子通信已具有一定應用，應用規模：中國>歐盟>美國。

 

還可用于量子計算機聯網。但距離實用較遠。

 

（三）量子計算

 

可用于生物化學、材料科學、藥物發現和(未來)機器學習。另外，量子計算還會威脅到目前用于保護幾乎所有互聯網數據的公鑰加密的安全性。目前，量子計算技術還不成熟，距離實用很遠。一旦部署成功，將產生顛覆性影響。

 

世界科技強國都投入大量資源開發量子技術。美國和中國總體處于領先地位，加拿大、英國、歐盟、日本和澳大利亞是重要的研究力量。

美國在量子計算和量子傳感領域處于領先地位，而中國在量子通信領域處于領先地位。

 

應用 領域	量子傳感	量子通信	量子計算
描述	用于探測時間、加速度、磁場和電磁輻射的傳感器	利用光的量子特性傳輸信號	能夠同時處理大量信息的新計算技術
應用	-用于GPS拒止環境下導航的慣性導航系統和磁測量系統； -改進用于情報監視偵察的激光雷達和普通雷達	-難以攔截的安全通信 -將量子傳感器和計算機聯網	-先進材料設計 -生物化學 -藥物設計 -數字優化(如物流) -密碼破解
時間	-導航應用需要幾年 -雷達應用需要10年以上	-安全通信應用已經在中國、歐盟和日本出現 -網絡應用需要很多年	-基礎應用需要5年 -重要應用需要10年
地位	公開報道較少，美國和英國比較領先	中國第一，其次是日本、韓國和歐盟	美國第一，其次是加拿大和歐盟

 

二、量子傳感

 

（一）量子計量

 

1.量子傳感器

 

應用于對時間、加速度、電場、磁場或重力場進行高靈敏度測量的傳感器。高精度鐘的商業應用前景廣闊，例如高頻金融交易和智能電網的動態調節。靈敏的重力儀可用于地震和火山噴發預測；地下石油和天然氣勘探；大型建筑土地堅固性評估（無需鉆孔）。德國博世公司正在探索將量子加速度計應用于汽車，特別是自動駕駛汽車。量子磁力計可用于生物醫學領域，例如改進磁共振成像(MRI)和正電子發射斷層掃描(PET)設備等。

 

2.量子導航

 

地球的引力場和磁場會隨著地理位置的變化而產生微小的變化。靈敏的重力計或磁力計可以對特定地點的磁場進行精確測量。將其與引力場或磁場分布圖進行比較，就可以確定所處位置。這種技術無需外部通信設備，所以可用于GPS拒止環境下導航。然而，磁場導航需要提前繪制目標區域的磁場分布圖，這在拒止區域中有難度。

 

靈敏的加速度計可以實現高精度的慣性導航。據估計，量子定位導航授時系統可以使潛艇的定位精度提高1000倍。這種技術不依賴外部通信，不會被攔截和干擾。

 

2019年，洛克希德·馬丁公司設計出一種在GPS拒止環境下導航的量子磁力計原型機。美國初創公司ColdQuanta受美國國防部資助，也在開發量子定位系統。“五眼聯盟”國家公布了一項支持量子導航的計劃，其目標是2022年在艦船上使用量子傳感器實現導航。美國空軍科學咨詢委員會表示，量子導航傳感器可能在2020-2025年間達到技術成熟度6級。

 

（二）量子成像

 

量子成像包括對可見光和射頻輻射的探測(即雷達)。其中最有前景的兩個應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，使用成像目標難以探測的微弱照明光束來探測目標。鬼成像光束能夠強力穿透煙霧和云層等大氣層阻擋物進行探測。美國陸軍研究實驗室計劃從地面、無人飛行器或衛星上使用鬼成像技術進行遠距離情報監視偵察。除軍事應用外，鬼成像還可用于天氣預報或災害防治(如火災監測)。這種技術在煙霧或強烈的大氣湍流中特別有效，陸軍研究實驗室已在2.33公里的距離上進行了演示。鬼成像技術可能會在幾年內投入商業應用。

 

鬼成像還可用于秘密行動。鬼成像可以提供比標準成像分辨率更高的圖像，特別是在光照非常弱的環境中。此外，即使信號光束被探測到，編碼圖像也不能被截獲，因為解碼圖像所需的部分信息存儲在成像設備中。鬼成像還可用于生物樣本成像，以保護脆弱的生物樣本免受正常光照損壞。

 

2.量子照明

 

量子照明在概念上類似于鬼成像，但可以提供更高的靈敏度。目前，已從數學上證明，量子照明設備的信噪比比理想的傳統照明設備高6分貝。該技術可用于量子雷達。理論上，量子雷達在高噪聲背景下可以很好地探測低反射率目標，因此它具有探測隱身飛機的潛力。信噪比提高6分貝可以使雷達最大探測距離增加41%。此外，量子雷達的信號在原則上極難被截獲或干擾。

 

公開文獻中還沒有大尺寸量子雷達的報道，但已有桌面演示原型機。其中一個原型機成功證明了其信噪比高于非量子設備的理想信噪比。

 

與鬼成像一樣，量子照明可以使用很弱的信號光束。因此，量子照明也可應用于生物醫學成像，探測可能會被傳統成像設備的強信號光束損壞的生物組織。

 

量子雷達研究還處于早期階段。量子雷達原則上能夠提高距離的測量精度，但不能提高方向的測量精度。2020年的一篇論文改進了理論設計方法，能夠同時提高目標距離和方向的測量精度。但這種新方法也不能跟蹤目標的速度或運動方向，而現有的雷達可以通過多普勒效應實現。綜上，量子雷達的設計沒有重大進展，軍事應用前景仍然有限。

 

三、量子通信

 

量子通信主要是通過量子密鑰分發(QKD)的方法保護通信安全。在這種方法中，加密密鑰以光子的形式在通信雙方之間傳輸。由于光子具有量子特性，在物理上，不可能觀察光子而不對其進行修改，因此任何截獲者原則上必然會在數據流中留下簽名。如果通信雙方交換了一個未中斷的加密密鑰，那么就可以確定密鑰傳輸沒有被截獲，加密數據也不可能被解碼。因此，量子通信被稱為“無法破解”的通信。

 

然而，上述場景簡化了量子密鑰分發的過程。實際上，一些技術上的細節會導致漏洞，商業上也已經被反復證明存在安全漏洞。此外，即使通信信道沒有受到物理干擾，信號仍然需要由易受黑客攻擊的計算機進行編碼和解碼，因此這種方法不足以確保通信安全。

 

量子密鑰分發已通過三種不同的物理介質進行了演示:光纜、自由空間和衛星。光纜是最常見的介質，但傳輸端必須是固定的，而且光子在傳播幾百公里后會退化。自由空間允許傳輸端移動，但需要直接的視距傳輸，大氣干擾會限制最大傳輸距離。2017年和2018年，中國量子通信衛星“墨子號”加密了中國和奧地利之間的通信。截至目前，“墨子號”是世界上唯一一顆量子密鑰分發演示衛星。

 

目前，通過光纜的量子密鑰分發已經具備了一定的商業應用。瑞士ID Quantique公司在荷蘭電信數據中心之間、瑞士銀行之間以及瑞士政府選舉中心之間建立了量子密鑰分發通道。中國建立了連接北京和上海的量子通信網絡“京滬干線”。2020年，日本東芝通過量子密鑰分發傳輸了數百吉字節的人類基因組數據，創造了世界紀錄。

 

四、量子計算

 

量子計算是量子技術最重要的應用，但距離實用最遠。原則上，量子計算機可以比標準計算機(也稱為經典計算機)更快地進行特定的計算，這使得量子計算機可以解決某些在標準計算機上完全無法解決的問題。然而，解決特定問題的量子計算機算法很少。對于許多計算問題，量子計算機并沒有表現出比經典計算機明顯的優勢。因此，研發一臺有用的量子計算機，仍是一個巨大的挑戰，目前只有小規模的原型機。

 

量子計算機還可用于先進材料和生物化學模擬，包括藥物發現和碳捕獲。因為量子力學解釋了這些材料的基本物理特性，所以量子計算機非常適合進行模擬。例如，可以使用一個中等大小的量子計算機來提高使用哈伯-博世工藝制備工業氨的效率。目前制備氨消耗的能源占世界能源產量的2%(主要用于化肥制造)。這一工藝的效率即使略有提高，每年也能節省數十億美元。

 

2019年10月，谷歌宣布利用一臺名為Sycamore的53量子比特的量子計算機實現了量子霸權（超過50量子比特）。據稱，該計算機在幾分鐘內進行了一項計算，這項計算需要世界上最快的超級計算機計算超過1萬年。

 

五、其他

 

（一）量子存儲器

 

在量子計算機中長時間存儲信息，需要穩定的量子存儲器。量子存儲器也可以提高量子通信技術的安全性和量子雷達的探測范圍。

 

（二）光量子計算

 

用于長距離量子通信的光量子比特也可以用于量子計算。但目前，光量子比特不是最有潛力的。

 

（三）量子網絡

 

量子技術的長期應用，被稱為量子網絡(或量子互聯網)。量子網絡將綜合應用前述三種技術。通信節點的量子網絡非常安全，并且能夠實現分布式的量子傳感和量子計算等。

 

文章來源于航天防務 ，作者劉杰