量子力学的军事应用展望

韩毅

摘要：量子力学是20世纪最重要的科学理论成就，它一方面因其神秘高深的特性被称为物理世界的百岁幽灵，另一方面又作为构成现代自然科学的基础理论，深深改变着人类生活的方方面面。量子力学在军事领域的几大应用近些年也取得了很大的进步，其中的量子卫星、量子雷达、量子武器和量子计算机都有望登上未来军事斗争的舞台上并一展拳脚。而将量子力学理论引入军事装备领域，也必将引发新一轮的军事大变革。

关键词：量子力学；量子卫星；量子雷达；量子武器；量子计算机

作为人类历史进步的杠杆和最高意义的革命力量，科技在军事领域发挥着无可替代的作用。而量子力学引领着当前科技的重大发展，将其引入军事装备领域，必将引发新一轮的军事大变革。特别是近些年来，以量子卫星、量子雷达、量子武器和量子计算机为首的一批高尖端量子军事装备取得突破性进展，使得我们有理由期待它们在未来登上军事斗争的舞台并大展拳脚。

1 量子卫星：不可窃听的通讯

信息化战争条件下，基于卫星的无线通讯无处不在，及时安全的信息传递可谓重中之重，而量子力学恰恰可以在这一领域大显身手，这同时也是目前量子力学应用最成熟的领域之一。

2016年8月16日，我国在酒泉卫星发射中心成功发射世界首颗量子卫星“墨子号”，该事件标志着人类将首次完成卫星和地面之间的量子通讯，也证明了我国在量子力学研究领域的国际领先地位。

量子通讯主要是利用了量子叠加原理和量子纠缠原理。量子叠加原理指出，量子处于多种可能状态的叠加状态，只有对其进行观察或测量时，量子才会塌陷为其中一种可能状态，因此在对其观察前无法确定量子的状态。而根据量子纠缠原理，一对相互纠缠的量子即使相距遥远，也可以互相联结，双方都能“感应”到对方的状态，并根据对方状态的变化做出相应变化，这种诡异的联系被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”。 在量子通讯中，使用一对纠缠的光子进行密钥的传递。根据光的偏正特性，光子有两个不同的偏正方向，而在被测量前，纠缠量子对中光子的偏振方向处于这两种方向的叠加态，因而是不确定的。只有当其中一个光子被测量时，它的偏振方向才能得到确认，同时另外一个光子也因为量子纠缠而确定了与之对应的偏正方向。这里每一个光子的偏正方向就可代表传送的信息，好比于计算机语言中的“0”和“1”，当通讯雙方采用相同参数的设置时，双方就可以利用量子纠缠原理得到相同的信息[1]。

在信息保密方面，“墨子号”卫星的首要科学目标就是开展星地间的高速量子密钥发放，也就是为卫星和地面之间的量子通讯提供绝对保密的密钥[2]。加密技术自古有之，直到今日仍旧是保证通信安全的关键，特别是对于信息安全极度重视的军事行动来说，其重要性更是不言而喻。传统加密技术建立在复杂的数学计算基础之上，好的密码往往有着强健的加密算法，以及受到保护的密钥[3]。但理论上来说，任何传统密码皆可破译，[1]特别是伴随着计算机机技术计算能力的飞速发展，更使得基于计算安全性的密码不再绝对安全。比如1977年三位美国科学家提出了用于数据加密的RSA公钥加密算法，号称以当时人类的运算能力需要4x1016年才能被破解，却在公布十七年后就被成功攻破，这一事件充分说明了传统加密技术的脆弱。

而量子密码是利用物理学原理保护信息，量子自身的特征就决定了量子通讯的过程是无条件安全的。量子通讯中的密钥以光子的形式传送，量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性，共同保证了通讯信息绝对的不可窃听、无法破译。量子力学的基本原理之一海森堡测不准原理指出，观察者无法同时准确测得量子的位置和动量，一旦进行观察就必定会导致量子状态的改变。该原理进一步扩展，可推得单量子不可复制定理，即在不知道量子状态的情况下，不可能对其进行复制。为得到量子的状态就必须进行观测，而因为测不准原理，观察又是肯定无法准确进行的。根据这两个原理，在窃密者企图进行窃密观测的同时，已经改变了密钥的量子状态，即便密钥不幸落入窃密者手里，他们得到的也仅仅是毫无意义的数据。而发送者和接收者通过对纠缠光子对偏正性的比较，就能判断是否有人试图窃取该密钥。如果密钥光子的偏正方向有变，就代表该密钥被人窃听，发送方可发送新的密钥，直至接受方收到一个没有收到任何干扰的密钥为止。[1]

量子卫星通讯的另一好处是高效，地面信号的传输主要以光纤为媒介，而量子信号在光纤中的损耗很大，在传播一百公里之后就仅剩百分之一的信号。如果想进行远距离的量子通讯就必须建立多个信号中继站，但这样又会大大增加信号泄露的几率[4]。而光在大气间的传输损耗却远远小于在地面光纤中传输的损耗，光子穿透整个大气层后仍可保留80%左右的信号。利用这一原理，我们可以使用量子卫星作为地面网络的中转站，从而极大的提升通讯的效率[5]。

2 量子雷达：突破千里眼的局限

作为战场上的千里眼，自二战首次登上历史舞台以来，雷达就是部队不可或缺的关键装备。但传统雷达具有功率大；电磁泄露强；体积大；机动性差；成像弱等缺点。[6]特别是随着现代隐形飞机的快速发展，传统雷达反隐形能力弱的缺点更加明显。而量子雷达借助量子力学原理可以很好克服传统雷达的各项不足。

首先在反隐形能力方面。传统的雷达通过发射电磁信号并接收目标反射的回波信号来感知目标位置、速度等信息[8]。而量子雷达的只采用相对较少的光量子对目标进行探测，利用的是光量子的粒子特性。[9]隐形飞机拦截传统雷达所发出信号，并且重新发送一只鸟的虚假信号作为雷达回波，这样就掩盖了自身的位置。但是当它拦截量子雷达所发出光子后，根据测不准原理，光子原来的量子特征会被破坏，而由于光子的不可复制性，隐形飞机所发出的虚假信号也不能重新模拟出之前光子的物理特征。量子雷达只要通过对目标反射回来的单光子状态进行识别，就能识破其干扰行为。此外，量子雷达可发射纠缠态的电磁波，将纠缠的光子对其中一个作为成像分子，另一个作为探测光子。成像光子留在量子存储器中，探测光子被发射出去，经目标反射后被量子雷达重新接受。这样根据量子纠缠的原理，通过比较纠缠光子对中两光子各自的量子状态，可显著提高雷达的探测性能。而且，量子雷达只将少数几个甚至一个量子作为信息载体，使得其灵敏度相比于传统雷达也有了质的提高[6]。endprint

量子雷达的研究在近些年也有了很大的突破，在我国“墨子号”量子卫星成功升天后不久，就传来了由电子科技集团第14研究所领衔研制的量子雷达取得突破性进展的捷报。据悉该所已完成了量子探测机理、目标散射特性研究以及量子探测原理的实验验证。这一报导同时也再一次证明了我国在量子领域的国际领先地位。

3 量子武器：颠覆性威力

除了在卫星通讯和雷达侦测方面的应用之外，将量子理论应用到武器领域，也可创造出多种颠覆性的新式武器。

首先是反物质武器，反物质是由反粒子构成的一种物质。科学研究发现，每一个基本粒子都有一个与自身外形相同但是“秉性”相反的“镜像物”，这就是该粒子的反物质。比如，带正电的电子被称为反电子，而带负电的质子被称为反质子。同理，由反电子和反质子组合而成的氢原子被称为反氢原子。万物同性相吸异性相斥的共性众所周知，反物质也不例外。当反物质一旦与正物质相遇，就会相互结合，发生湮灭（annihilation）。湮灭效应放出光子和介子，同时将正反物质的全部质量都转变为能量释放[11]。按照爱因斯坦著名的质能方程E=mc2进行计算，只需1毫克反物质与1毫克正物质湮灭产生的能量就相当于430吨TNT炸药的威力，远胜于原子弹和氢弹。此外反物质还可以作为航天器、火箭等的燃料，仅仅数毫克的反物质燃料，就可以在六周内将太空船推动到火星。反物质武器的巨大军事潜力和战略意义深深吸引着各国军界，美国氢弹之父泰勒以及苏联氢弹之父萨哈罗夫都很早就开始研究反物质的军事应用[10]。

虽然反物质武器威力巨大，前景广阔，但是距其实际投入应用还有一段长路。一方面，尽管早在1932年，美国科学家卡尔·安德森就第一次发现了正电子，但迄今为止也尚未在地球上发现任何天然存在的反物质，而在实验室制造反物质又是一项成本极高难度极大的工作，甚至还有很多科学家倾向于在茫茫宇宙中搜寻反物质。另一方面，即便可以顺利制造，反物质的贮藏和运输也将是一项难以进行的工作[10]。

除此之外，量子力学应用于军事领域还将产生利用量子凝缩的重力波炮，该武器可以在宇宙中发射不受媒介限制高能重力波造成杀伤，而其余武器由于在宇宙中缺乏传播媒介，杀伤力将大打折扣；被称为人造黑洞的重力场发生器；以及可抵抗大量物理攻击的量子防护罩。随着近些年量子力学研究的进一步成熟，这些量子武器距离实际投入应用也更近了一步。而其中任意的一种武器的实现，其带来军队战斗力颠覆性的提升，都必将在全球军界引发轩然大波[12]。

4 量子计算机：使传统密码无密可保

作为由军事需求直接催生的产物，计算机在军事领域一经使用，就大大改变战争的形式。自1946年世界上第一台电子计算机ENIAC问世以来，它就不但部分地代替和延伸了人脑的功能，带来了信息化战争和数字化战争的概念，更将人类引入了智能对抗的时代。[13]随着量子研究的深入，量子计算机的产生成为可能。作为基于量子物理学的新一代计算机，量子计算机将利用其与生俱来的超强计算能力，再一次改变世界格局。

经典计算机是依据冯诺依曼（von Neumann）体系结构，以及艾伦·图灵（Alan Turing）1936提出的图灵机（Turing Machine）模型制造的[14]。自20世纪60年代以来，经典计算机的发展近似地遵从与摩尔定律（Moore`s Law ），即集成电路上可容纳的元器件数量每隔18～24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。随着电子器件尺寸的进一步缩小，用于经典计算机制造的传统方法开始显得力不从心，因而大部分专家预测摩尔定律将在本世纪前20年失效[15]。另外经典计算机为达到尺寸小、容量大、速度快的目标，集成电路的线宽将进一步缩小，当其小于0.1μm时，量子效应的作用将大大加强[16]。因此，传统的计算模型即将步入尽头，为了进一步提高计算机的性能，科学家将目光转向量子力学的领域，并于1982年由物理学家费曼（Feynman）首次提出了量子计算机的概念，他指出在经典计算机上模拟量子力学系统存在本质困难，建议在量子力学的基础上构造计算机以克服这些困难[17]。

量子计算机主要利用了量子的叠加性和纠缠性。经典计算机基于香农（Claude Shannon）1948年提出的信息论，利用电流的通断或者电压的高低来表示二进制中的“位”（bit），每一位的取值为0或1，通过对位操作来进行计算。而量子计算机中则利用光子的不同偏正态、原子不同取向的自旋态或者超导体中电流的左旋右旋等来对应“量子位”中的0和1。但与经典计算机中的位不同的是，量子计算机中的量子位可同时处于0和1的叠加态，所以，对量子位操作一次，就相当于对经典位操作两次，这是量子计算机相对于经典计算机的一大优势。

量子糾缠原理使得量子计算机具有了更大的优势，即两个量子位可同时处于4个状态（0，0）（0，1）（1，0）（1，1）。同理，3个量子位就可以同时处于8个不同状态，n个量子位可同时处于2n个不同状态。这样一个经典32位计算机要进行232次（约4G次）操作才能完成的运算，一个纠缠的32个量子位的量子计算机仅仅只需要一次操作。而在搜索能力方面，对于总计N种可能的组合，经典计算机平均要尝试N/2次才能成功，而量子计算机只需要次。在N的数量很大时，量子计算机的优势就变得极为明显。例如在N为200万的情况下，经典计算机需要尝试100万次，而量子计算机只需要1000次。这一点是因为量子计算机将总数为N的被搜索对象叠加为Hilbert空间中的一个态，要搜寻的态只是其中的一个分量[16]。

目前的研究和实验表明，在一些问题的计算中，量子计算机的运算速度相对经典计算机具有指数级的提高。特别是对于军事领域至关重要的解密问题，大因数分解的困难是目前经典计算机RSA公共加密系统的基础。在经典计算机上，解密所需运算次数随输入量的大小呈指数次方增长，对于56位数的解密时间，即便使用当前运算最快的经典巨型计算机（千亿次/s），都将花费107s才能完成，这个时间相当于宇宙的寿命。而且这种情况在经典物理学的范围内是本质上不可能得到解决的，因而可以认为RSA加密系统是安全的。而对于相同的56位数解密问题，采用量子计算机在几秒之内就可以解决。这样的话，RSA加密系统的安全性将面临极大挑战，甚至可以说在量子计算机面前，传统密码将无密可保。[16]这样看来，在功能如此强大量子计算机面前，唯一对手就是同样基于量子力学原理的量子密码了。endprint

作为21世纪最重大的理论突破，量子力学的发展在很大程度上推动了近代科技的进步，而科技的进步必将推动军事的变革，量子力学也必将引领未来军事装备的发展。相信在不远的将来，建立在量子力学基础上的量子通讯、量子雷达、量子武器和量子计算机将投入实际的军事斗争之中，并且最终成为改变整个世界军事格局的革命性力量。

参考文献：

[1]朱岳超，田永泰.量子密码技术及其军事应?[J].信息安全与通信保密， 2004（5）.

[2]刘诗瑶.揭秘全球首颗量子卫星[J].中国经济周刊，2016（8）.

[3]王立新，俞永超，王薇.量子密码—数字化战场信息防御的“金锁”[J].理论探讨，2008（2）.

[4]吴晶晶、杨维汉、徐海涛.“墨子号”开启星际首航—全球首颗量子卫星揭秘[J].中国产经，2016（8）.

[5]潘建伟，姜俊芳.世界首颗量子卫星—开启量子通讯新时代[J].科普中国，2016（8）.

[6]谭宏，戴志平.量子雷达的关键技术研究[J]华中师范大学学报，2012（6）.

[7]LANZAGORTA M. Quantum Radar [J].Synthesis Lectures on Quantum Computing， 2012， 3（1）； 1-139.

[8]韩国强，叶瑞芳，刘丽，等.对新型ISAR欺骗干扰效果仿真分析[J].雷达科学与技术，2014，12（5）；532-538.

[9]周城宏，钱卫平.雷达技术发展与展望[J].雷达科学与技术，2015（5）.

[10]羅上庚.反物质武器：第四代核武器？[J].现代军事，2006（9）.

[11]李正群，候本春.反粒子·反物质·反物质武器[J].现代物理知识，2006（3）.

[12]孙立华.威力超群的量子武器[J].百科知识，2016（8）.

[13]刘戟锋，赵阳辉，曾华锋.自然科学与军事技术史.第1版[M].长沙：湖南科学技术出版社，2007.

[14] Turing A M.On computable numbers， with an application to the Entscheidungs problems[C].Proc Lond Math Soc2， 1936， 42：230-265

[15]吴楠，宋方敏.量子计算与量子计算机[J].计算机科学与探索，2007，1（1）.

[16]张镇九，张昭理.量子计算机进展[J].计算机工程，2004（4）.

[17]Feynman. Simulation physical with computer [J].International J Theor Phys， 1982， 21：467-488.endprint