英國國際戰略研究所：量子計算與防禦
2019年2月15日，英國國際戰略研究所發布《軍事平衡2019》研究報告。本文簡單介紹其中「量子計算與防禦」相關章節內容。這一部分內容主要闡述了量子技術在國防領域的主要應用、世界主要國家的發展情況，以及量子技術在計算機領域尤其是地緣政治方面所具有的作用優勢，認為量子技術將對各國的國防建設發展產生深遠影響。
報告指出，對量子技術進行整合是目前軍隊最為期望的發展之一，但其確切影響還難以預測。雖然對量子技術的經濟應用和廣泛使用還需要數年時間，但毫無疑問的是，當量子技術被大規模使用時，將會產生一定的顛覆性影響。2018年5月，英特爾科技公司的量子計算主管就曾表示：「如果10年後我們有一台擁有幾千位比特的量子計算機，那肯定會像第一台微處理器那樣改變整個世界。」與此同時，雖然量子技術最終將會對軍事力量、情報部門和執法機構產生深遠影響，但尚不清楚它將在多大程度上改變國家之間或國家與非國家行為體之間的傳統性權力平衡。
一、潛在的軍事應用
報告指出，在量子信息科學領域，與國防相關的新型應用正在產生，這些應用通常以「量子」單一命名的方式組合在一起，但這些應用值得進行獨立思考。量子密鑰分配、量子密碼分析和量子感測都有望以不同的方式對戰略安全產生重要影響。例如，量子密鑰分配為防禦者提供了有利條件，以確保他們的通信安全，而量子密碼分析則是一種固有的攻擊能力，儘管這種能力正在以較慢的速度發展成熟。廣義量子計算還將提供許多其他的可能性，但在此階段還很不確定，無法對它們的二階效應進行一致分析。
量子秘鑰分配。報告指出，最常見的量子加密形式是在安全通信會話啟動期間，使用光子的量子「疊加」效應來傳輸密鑰，根據海森堡的不確定原理，光子的精確狀態是不確定的，直到它們被孤立並測量到，也就是直到它們表現出特定的極化狀態。基於截取（或『竊聽』）量子比特的過程會不可逆轉地改變它，這就使量子秘鑰分配為人們提供了一種能夠掌握通信是否被攔截或竊聽的有價值的方法手段。量子秘鑰分配技術適用於現有的加密通信系統，但直到過去幾年時間裡，它一直面臨著遠距離應用方面的挑戰，因此在有限的環境之外該技術手段尚無法應用。
量子秘鑰分配技術具有巨大潛力
量子密碼分析。報告中指出，量子密碼分析是指量子計算對編碼信息進行解密的具體應用。目前的加密標準主要依賴於對數據進行編碼的數學演算法，這些演算法在任何合理的時間內都是能夠被有效破解的。例如，美國軍事級的、先進的256位加密標準，如果使用現代計算機通過蠻力方法（即基於所有可能解決方案的「試錯」方法），理論上需要數十億年的時間才能破解。然而，量子計算機最終將能夠代替這種依序試錯的方法來處理這些複雜的數學問題，從而實現同時考慮多種可能的替代方法。量子密碼分析的前景是如此誘人，以至於一些國家已經開始收集加密的國外通信，期望將來能夠從這些數據中提取出有價值的秘密。當量子密碼分析確實可用時，它將通過廣播或攔截通信的方式進行解密，從而對國際關係產生重大影響。對於那些廣泛依賴加密以確保軍事行動、外交信函或其他敏感數據安全的國家來說，這可能是一個分水嶺事件。
量子感測測量。報告指出，2018年9月美國發表了「國家量子信息科學戰略概覽」，其中將量子感測定義為「利用量子力學提高測量的基本準確度和/或為感測器和測量提供新的機制或模式」。這種新的能力將具有明顯的軍事優勢。英國國防科學專家委員會就強調：「改進重力感測器（量子重力計）的潛在重要性，在於它可以探測水下運動的物體，如潛艇。」利用量子技術測量磁場微小變化的超導磁強計也可以用來定位敵方潛艇，而量子雷達還可以用來探測低空偵察飛機。英國國防科學和技術實驗室也講到：「量子感測技術預計將會開啟新的軍事顛覆性技術，例如新型通信或雷達模式。」量子技術已經成為原子鐘小型化相關發展的一部分，並在定位、導航、計時等方面發揮作用。
量子通信技術前景廣闊
報告進一步指出，儘管目前量子計算技術還處於研發階段，尚不能預見未來還會有哪些發明，或者是友好力量或對手將如何利用它們，但量子計算將來可能會帶來一些其他顛覆性應用。然而，量子計算並不能完全取代基於晶體管和硅制微晶元的經典計算方法。相反，量子計算最好被考慮為一種替代的、互補的，甚至是增效技術，將來能夠解決一些目前計算機無法解決的問題，但對於解決當前計算機所擅長的問題而言，這種技術也很可能是相對無效的，或者只是稍微好一點。
二、國家計劃
報告指出，一些國家正大力投資於量子研究，以獲得經濟和軍事優勢。量子計算的軍地兩用性質，意味著一些私營公司和大學也將在這些新技術的發明和改造中發揮關鍵作用。在2018年3月提交給英國下議院的科學技術委員會的報告中，英國物理研究所就宣稱：「英國需要通過深化學術界和工業界之間的聯繫，利用相關產業優勢，將其強大的研究基礎轉化為商業產品」。在這場新型技術競賽中，一個民族國家可以在多大程度上調動資源，優先發展軍事應用，將會顯示出決定性優勢。
中國發展情況。中國是量子研究和發展的早期引領者，2016年北京發出了一項聲明，努力在2030年前實現量子技術的重大突破。同年，北京發射了世界上第一顆量子衛星，該衛星於2017年將一個光子傳送到地球。現在，該衛星已經成功完成了從軌道到中國興隆和奧地利格拉茨的地面站的量子秘鑰分配工作。2017年，中國還在北京和上海之間建立了第一個遠程地面量子通信鏈路。這些科學成就代表著具有里程碑意義的重要舉措，可以確保中國政府的通信不被外國竊聽，至少在後量子密碼分析成為一項功能性實際應用之前是如此。中國還計劃投資100億美元，在安徽合肥建立國家量子信息科學實驗室，用於領導和帶動全國量子計算和感測技術的發展與應用。
美國發展情況。在實現國防量子應用的競賽中，美國是另一個引領者。自2016年以來，美國政府在量子研究方面投資超過2億美元，2018年美國能源部和國家科學基金會承諾通過2到5年的時間，投資2.5億美元支持量子感測、計算和通信。在軍隊方面，美國陸軍研究辦公室為量子計算方面的廣泛研究提供資金，而美國空軍則將其視為信息和太空戰爭中具有革命性的高新技術。更為重要的是，如Google、 IBM、 Intel 和 Microsoft之類的私營部門公司，也已經進行了近十年的量子研究。在西方，他們和加拿大D—Wave系統公司一起引領著量子計算機的發展，這些計算機將可能會運行在未來的量子技術支撐的軍事平台中。
歐洲國家發展情況。總體而言，歐洲國家也在進行大量投資，並取得了重大進展。歐盟委員會的量子技術旗艦項目將是一項規模龐大的研究項目，在未來十年內規模將達到10億歐元，合計11億美元，其重點是量子技術的通信、計算、模擬和感測這四個主要領域。2013年，英國政府宣布為自己的國家量子技術項目投資4.22億美元，目的是「建立一個協調一致的政府、工業和學院的量子科技界」，2018年末量子技術成為英國議會調查的主題。法國總統馬克龍於2018年5月與澳大利亞時任總理馬爾科姆·特恩布爾簽署了一份諒解備忘錄，內容是兩國合資開發量子硅集成電路並將其商業化。2018年9月，德國宣布2018至2022年間為量子技術研究提供一筆新的資金，價值6.5億歐元，合計7.71億美元。
俄羅斯也在俄羅斯量子中心投資發展量子計算，但沒有投入像其他國家那麼多的資金力量，仍落後於中國和美國，這可能與20世紀90年代以來俄羅斯科研能力的總體下降有關。但據報道，俄羅斯總統普京已將國家研發支出提高至俄羅斯國內生產總值的1%，其中1870億盧布（合計30億美元）用於2018年的基礎科學研發工作。
三、量子優勢
報告指出，「量子優勢」是指量子計算機的執行任務能力超過當今最強大的傳統超級計算機。谷歌在2018年發布了其72位處理器，超過了IBM前一年的50位處理器記錄，並宣傳它的新型晶元可能在一年內具備量子優勢。然而，重要的不僅僅是量子比特的數量，還有一些其他因素也很重要，包括量子電路的「深度」，或是在錯誤擴散影響到真實的計算能力之前，可以執行多少邏輯運算，這就是IBM研究人員所稱的「量子體積」。英特爾也認為量子技術非常複雜，需要大量的時間來完善商業應用程序。
量子技術具有明顯優勢
報告進一步深刻指出，同樣值得考慮的是對地緣政治而言，量子技術可能意味著什麼。人們有理由關注，隨著量子技術的出現，將會加劇世界各國之間的數字鴻溝，加大安全差距。如量子密碼分析，理論上可能是一個偉大的均衡器，但在現實中可能只有富裕、先進的國家才有能力經營這項所需資產。如果少數幾個國家能夠通過量子密鑰分配或後量子加密演算法，迫使其對手的通信對己實現透明，同時保護自己的通信安全，那麼霸權主義關係可能會持續存在下去。同樣的情況也適用於大規模數據處理，能夠為技術先進的國家提供實時情報和運行優勢。這一潛在的新型安全困境，在2018年10月第四屆歐洲網路安全論壇上被提出。與其相反，量子技術的發展和廣泛傳播也可能會隨著時間的推移，逐漸削弱一些大國的相對優勢。如果每個國家政府都能確保其通信安全，以前所未有的規模和速度處理情報數據，並在空中或海底探測外國軍事資產，那麼均衡效應就會顯現。在現階段可以確定的是，技術上的量子優勢是不可阻擋的，而且是近在咫尺的，量子技術的顛覆性影響很可能導致各國改變其防務姿態。
轉自丨戰略前沿技術
作者丨遠望智庫 利劍
研究所簡介
國際技術經濟研究所（IITE）成立於1985年11月，是隸屬於國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，為中央和有關部委提供決策諮詢服務。「全球技術地圖」為國際技術經濟研究所官方微信賬號，致力於向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。
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