兰德报告：量子技术及其军事应用时间表

第一章

图1 Palmer对三种量子技术的非技术性概述

第二章 量子技术概述

莫里斯和阿斯普登两位学者讨论了在秘密行动中使用幽灵成像的可能性。量子鬼成像可以提供比标准成像更高的分辨率，特别是在光线非常弱的环境下，所以照明光束仍然可以产生一个可见的图像，即使光束比标准成像需要的弱得多；因此，波束很难被探测到。

此外，即使检测到信号束，编码图像也无法被拦截，因为重建图像所需的一些信息存储在量子鬼成像设备中。莫里斯和阿斯普登还提出，非常低照明的量子鬼成像可以用来成像生物样本，这些样本非常脆弱，如果是明亮的照明可能损坏样本。

量子照明

量子照明在概念上类似于量子鬼成像，但可以提供更大的灵敏度改进。研究人员从数学上证明量子照明设备可以在理论上比非量子设备高6分贝的信噪比。信噪比提高6分贝相当于雷达最大探测距离增加41%，因此该技术的一个应用场景是量子雷达。

理论上，量子雷达在探测高噪声背景下的低反射率目标时应该是唯一有效的，所以它在探测隐形飞机时可能特别有效。此外，量子雷达原则上可以设计成很难拦截或干扰的信号。

在公开文献中还没有大规模量子照明雷达的报道，但已经有桌面原型的演示。一个原型成功地证明了比非量子器件更高的信噪比。

量子雷达的理论设计仍处于非常早期的阶段，前几年量子雷达只能改进目标距离收发机的测量，而不能改进目标的方向。一份2020年的科学论文改进了理论设计，使其能够同时提高目标距离和确定方向。

不过，即使采用这种新设计，也无法像现有的雷达那样，通过多普勒效应来跟踪目标的速度或移动方向。因此，如果量子雷达的设计没有重大进展，它的军事用途仍然有限。

量子通信

量子通信技术近期的主要应用是防止窃听，主要是通过一种称为量子密钥分配(QKD)的方法。在QKD中，一个加密密钥以称为光子的量子粒子的形式在通信双方之间传输。在QKD中，一个加密密钥以称为光子的量子粒子的形式在通信双方之间传输。

由于这些粒子的量子特性，原则上，任何截获它们的窃听者都必然会在数据流本身留下一个签名；如果协议被正确地实施，那么在物理上不可能观察光子而不以某种方式修改它们。如果通信双方交换了一个未被破坏的加密密钥，那么他们就可以保证没有人截获他们的密钥传输，因此也就没有人能够解密相应的加密数据。由于这个原因，量子安全通信有时被称为“不可侵入的”。

然而，这个描述过于突出QKD的安全性。在实践中，技术上的细微差别可能导致安全漏洞，QKD的商业实现已经多次被证明存在安全漏洞。此外，即使通信信道的物理拦截漏洞得到了保护，信号仍然需要由易受黑客攻击的计算机在端点进行编码和解码，因此保护数据流不受物理拦截不足以确保通信安全。

QKD已经通过三种不同的物理通信渠道进行了演示：光纤电缆、露天和卫星。光纤是最常见的介质，但传输端点必须固定，而且光子只能传输几百公里才能降解。通过自由空间传输允许移动端点，但它需要直接的视线传输，而大气干扰目前限制了最大距离，甚至更短的距离。

2017年和2018年，中国的墨子号量子卫星从太空发射光子流，对中国和奥地利之间的一个75分钟电话会议进行了加密。到目前为止，墨子号是唯一一颗从太空展示QKD的卫星。

如今，通过光纤电缆传输的QKD已经在有限的商业应用中。一家名为ID Quantique的瑞士公司已经在荷兰电信数据中心、瑞士银行和瑞士政府选举中心之间建立了QKD。中国已经建立了连接北京和上海的广泛网络，2020年，日本东芝的研究人员通过QKD传输了数百千兆字节的人类基因组数据，创造了数据传输的新纪录。

量子计算

量子计算是量子技术最广为人知的应用，但也是距离实际部署最远的应用。理论上，量子计算机可以比标准计算机更快地完成某些计算，某些在标准计算机上完全无法解决的问题在量子计算机上变得可行。

尽管如此，针对特定应用的已知算法却少得惊人。事实上，在许多计算问题上，量子计算机并不能比经典计算机提供任何显著的改进。

两个最重要的量子算法是肖尔算法和格罗弗算法。肖尔算法比任何已知的经典算法都能以指数速度分解大数。几乎所有用于保护互联网流量的公开密钥加密算法都依赖于分解和类似计算的计算难度。

因此，肖尔算法的主要应用将是解密通过公开渠道(如互联网)传输的敏感信息，这对在线商务和国家安全有着明显的影响。肖尔算法还可以用来破坏大多数区块链协议的安全性，包括比特币协议，尽管有人提议区块链设计可以安全抵御量子攻击。

量子计算机的最后一个鲜为人知的潜在应用是先进材料和生物化学的科学模拟，包括药物发现和碳捕获。因为量子力学效应解释了这些材料的基本原理，使用量子力学的计算机非常适合在计算上模拟它们。

为了给潜在的经济效益提供规模感，瑞士苏黎世皇家理工学院的物理化学家雷勒（Markus Reiher）给出了一个详细的理论建议：用一个中等大小的量子计算机来提高哈伯-博世用于工业氨生产的效率。即使效率只有小幅提高，但每年也能节省数十亿美元。

跨越范畴的量子技术

目前正在开发的所有量子技术的近期应用都属于前面描述的三个类别之一：遥感、通信和计算。然而，某些技术可以推动多个领域的进步。例如：

因此，在量子技术的三大类中，技术进步可能不会完全独立进行。量子技术的长期应用被称为量子网络(有时也称为量子互联网)，可以跨越所有这三个类别。通信节点的量子网络可能非常安全，并可能实现分布式量子遥感和计算，以及其他目前难以预测的应用。

第三章 未来几年的展望

有一种简单的统一测量方法，称为量子纠缠，它量化了给定量子技术所面临的性能和工程难度。简单来说，纠缠是指多个微观粒子以一种协调的方式共同工作，从而使它们各自的能力结合在一起。

量子技术最强大的潜在应用都需要许多粒子之间的持续纠缠。然而，如此大规模的纠缠对于设计来说是极具挑战性的，因为纠缠是非常脆弱的，而保持它需要保持粒子与周围环境非常良好的隔离(通常冷却到绝对零度以上的千分之一度)。 

多数量子遥感应用几乎不需要受控纠缠，因此它们被认为是最接近商业部署的。公开文献中几乎没有关于潜在军事PNT应用的信息，但量子鬼成像技术相当成熟，它可能在几年内投入商业应用。

量子雷达确实需要一些纠缠，而且可能离商业应用更远，因为某些基础科学挑战仍然需要克服。专家估计，它可能在2030年投入使用。

量子遥感应用于导航也可能接近实际用途。2015年，美国空军科学顾问委员会的一份报告得出结论，量子导航传感器可能在2020-2025年的时间框架内达到技术就绪水平(TRL)。此外，洛克希德·马丁公司2019年宣布了一种量子磁力仪原型，用于无法使用GPS时的导航。

美国初创公司Cold Quanta也在研究量子定位系统，并获得了美国国防部的资助来开发一些可行技术。尽管惯性导航有一些商业应用(如自动驾驶车辆)，但最重要的应用是军事，因此在美国和其他国家，研究和开发很可能由军方推动。

“五眼”伙伴(包括澳大利亚、加拿大、新西兰、英国和美国)宣布了一项量子PNT战略挑战，其目标是到2022年在舰载平台上使用量子遥感器，以展示在GPS挑战环境下的导航新能力。总而言之，量子遥感技术有望在未来几年内达到商业或军事上的成熟。

量子通信是一种中间情况，因为有些协议使用纠缠，有些则不使用。不基于纠缠的量子通信已经商业化（以量子密钥分发的形式），但基于纠缠的通信仍然需要几年的时间。

例如，中国的墨子号量子卫星在1200公里的间隔内分布了成对的纠缠光子，但是先前描述的洲际视频电话会议的QKD协议没有使用纠缠，因此它的安全性比基于纠缠的协议要低一些。

最终，基于纠缠的复杂量子通信网络可能会导致上一章所述的量子互联网。一个完整的量子互联网需要在量子通信和计算技术方面取得根本性的进步，虽然量子网络的小规模实施可能在几年内就会上线，但大规模实施还需要很多年。

量子计算是技术上最具挑战性的例子，因为它需要高度的纠缠。正如本章后面所解释的，所有现有的量子计算机都远远不能执行第二章所描述的应用程序。

量子计算机的基本组成部分被称为量子位，它与经典计算机使用的普通字节(0和1)有关。量子计算机的能力大致可以由它内部纠缠在一起的高质量量子位元的数量来衡量。

一台量子计算机至少需要50个高质量量子位元才能完成一些对现有的超级计算机来说太难的计算，这是一个里程碑，有时被称为“量子霸权”。

2019年10月，谷歌宣称，它已经通过名为Sycamore的53量子位量子计算机实现了“量子霸权”。Sycamore量子计算机只花了几分钟就完成了一项计算，谷歌声称世界上最快的超级计算机需要1万多年才能完成这项计算。

然而，Sycamore解决的具体计算问题并没有已知的实际应用，建造这台计算机主要是为了证明量子计算机可以对某些问题提供性能提升的原理，即使它们是人为设计的。尽管量子霸权的里程碑是对量子计算机概念的重要证明，但它不会带来任何直接的商业应用。

到目前为止，要将量子计算机扩展到有用的地步，最大的技术挑战是量子误差校正。目前已知的所有物理量子位元的设计都有相当高的错误率，错误的累积很快就会破坏计算。

理论上，这个问题可以通过实施量子误差修正来解决，量子误差修正在理论上很容易理解，但在实验上才刚刚开始得到证明。

量子错误校正的一个主要挑战是它需要巨大的硬件开销，以大量的量子位元的形式来简单地纠正错误，而不是直接执行有用的计算。

为了解这种开销的规模，在2021年发表的一篇论文估计，一台量子计算机可以用14238个假设的完美量子位打破商用级别的2048位RSA加密。然而，这将需要2000万个不完美的量子位元，而这些量子位元可以用目前的技术实际制造出来。

由于这些挑战，2019年美国国家科学院的报告总结道，“一种量子计算机能够破解RSA2048或类似的密码，这是非常出乎意料的……公钥密码系统将在未来十年内建立”。

机器学习的应用似乎也面临着同样艰巨的硬件要求，材料应用和生物化学模拟的硬件要求较小，尽管它们可能需要一定程度的错误修正，因此仍需要几年的时间，但它们很可能比解密更早地成为现实。

由于人们最了解的量子计算机应用都有如此强大的技术要求，因此有许多算法的建议可以在不需要纠错的计算机上运行。这些中等规模的量子计算机将在未来几年内投入使用，Preskill（加州理工学院理教授，量子信息科学的先驱之一）在2018年对它们的近期前景做了出色的非技术性总结。主要有两个要点:

鉴于目前的量子计算机技术成熟度低,一些量子行业追踪器和初创公司的创始人担心,私人创业在量子技术的当前水平可能过多和过早，不合理的高期望可能会导致几年的投资打水漂。这种可能性被称为“量子冬天”，与过去的人工智能技术的研究和投资突然枯竭的“人工智能冬天”相似。

对于量子计算机的近期商业潜力，美国私营企业和大众媒体普遍比学术界更为乐观，这可能反映了私营公司需要鼓励投资者的热情。总之，正在探索量子计算机的一些利基应用，这些应用可能在未来几年内变得有用，但最重要的应用（例如打破解密）可能至少需要十年。

第四章 主要参与者

量子技术是新兴领域，无论是投资规模、研究质量，还是核心技术都尚未形成国际竞争。

衡量一个国家的参与程度，标准有很多，其中之一是一个国家的公共和私人研发投资总额。2010 年后，各国政府资助了大部分量子研发。图3 粗略估算了2015年全球量子技术研发投入，如今的数据已远超当时。美国、中国、欧盟、英国和加拿大甚至立法鼓励量子领域的研究。2018年12月，美国签署国家量子法案。

图3 2015年各国量子技术研究总投入

私营企业自2012年起开始关注该领域，其投资规模在2016 年加速。图4列出了2012年至2018年间，各国私营企业对量子研发的总投资。

与图3不同，图4的时间跨度更大，总投资与私人投资趋势略有不同。加拿大与美国的私有企业投资规模均大于欧洲所有国家，可以一起做比较；澳大利亚的私有企业则能与欧洲其他国家的对比；中国私有投资相对较少，日本几乎为零。  

不同国家仅在某些子领域鹤立鸡群，因而量子技术没有主导者。美国和中国在总支出中占主导地位：美国联邦政府的研发投资每年约为2-2.5亿美元；在中国，这个数字约为2.44 亿美元。

2017年，中国在合肥建造了一个大型量子研究设施。美中经济与安全审查委员会在其 2017年年度报告中总结：“过去，美国长期主导量子信息科学，但中方正在不断缩小技术鸿沟”。该委员会认为，量子信息科学是中美竞争激烈的领域，而两国都没有明显的优势。

加拿大的滑铁卢大学，也是量子技术的世界领先者。许多量子技术创业公司在滑铁卢大学附近进行研发，这一区域甚至被称为量子谷。一家名为量子谷投资（Quantum Valley Investments）的风险投资基金，致力于量子技术领域。图3和图4也能看出，加拿大的量子研发投资多来自私人而非政府。

近年来量子遥感领域缺乏国际竞争，截至 2014 年，英美仍是世界主导者。美国率先研发量子鬼成像和量子雷达技术；2019年，滑铁卢大学的研究人员展示了首个台式量子雷达原型。

中国是量子通信的世界领先者。中国部署了量子卫星，能够与地面直接通信，为北京到上海之间的量子密钥分配（QKD）建立光纤网络。中国著名的科学家潘建伟院士几乎见证了中方的每一次成功，参与量子通信和光子学方面的技术突破。合肥的量子研究设施也由潘建伟领导。

美国是量子计算的领跑者。全球最大的量子计算机，具有 50 个或更多高质量量子位，由谷歌、IBM和初创公司IonQ建造。其他商业参与者还包括霍尼韦尔、微软，以及Rigetti、ColdQuanta 和PsiQuantum等初创公司。来自加拿大滑铁卢的公司D-Wave也是著名的量子计算集团。

谷歌、洛克希德马丁和美国国家航空航天局向D-Wave购买了2000多个量子比特的机器。但也有量子计算学术研究人员对D-Wave计算机的性能表示怀疑，其量子质量远低于其他计算机。

中国的阿里巴巴将投资量子计算，却并没有公布能与美方抗衡的量子位计数或其他质量指标。与美国不同，中方在量子计算方面的投资绝大部分来自政府而非私营企业。 

第五章 国家安全影响

量子技术的每个子领域都将对国家安全产生重大影响。本文第二章描述了与国家安全相关的量子遥感应用，如ISR、PNT。原则上，量子雷达可将雷达范围增加 41%，在空间隐身上收效显著。但这种能力还需多年才能实现。

近年来，量子鬼成像技术可以通过云层和烟雾优化ISR；原子钟的机密性改进了GPS定位；磁力计和重力计弥补了GPS的盲点区域；加速度计可以改进惯性导航系统、优化导弹系统。美国空军认为，这些技术将在未来几年成熟。

一方面，中国关注到量子密钥分配技术（QKD），以此支持军事、政府或商业等重要领域，保护其加密通信免受恶意拦截。美国研究人员对此并没有过多关注，美国空军认为量子密钥分配不具备显著优势，美国国防科学委员会认为该技术尚未具备国防部要求的能力或安全性。英国政府也建议政府或军队不要采用量子密钥分配。

美国国家安全局宣称，不使用量子密钥分配保护国家安全系统通信。量子密钥分配在通信链中过于复杂，存在潜在漏洞。同如今的软件漏洞一样，量子安全信息也容易受限于短板，遭受攻击。

案例表明，商业量子密钥分配设备存在安全漏洞。中国、欧盟和日本正在迅速部署量子密钥分配，而美国和英国国防界公开反对部署。两大阵营对量子密钥分配的有用性存在分歧。

理论上，量子计算将对国家安全产生最严重的影响。大规模量子计算机能够介入商业级加密设备，如2048位RSA，并部署肖尔算法，日后将沉重打击互联网安全。没有加密技术，在线私人通信无法实现；没有安全的支付方式，在线商务和金融交易无从开始。

然而，十年内，能运行肖尔算法的量子计算机几乎都无法问世。为应对量子计算机威胁，美国政府已制定措施。美国国家标准与技术研究院正在开发新加密算法，抵御未来量子计算机的攻击。

小规模量子计算机对国家安全没有直接影响。量子计算机无法学习军事情报相关的任务，如目标优化和机器学习。这类量子计算机不会直接影响国家安全，但能为科学和生物医学带来效益。