【国防导论：量子技术】美国国会研究处，量子技术军用方向、美国投资安排与立法活动

量子技术将量子物理学的原理转化为技术应用。总的来说，量子技术还没有达到成熟的程度；然而，它可能对未来的军事传感、加密和通信，以及对国会的监督、授权和拨款有重大影响。

1 量子技术的关键概念

量子应用依赖于一些关键概念，包括叠加、量子比特（qubits）和纠缠。叠加是指量子系统同时存在于两个或多个状态的能力。量子位是一种利用叠加原理来编码信息的计算单元。(经典计算机用比特编码信息，这些比特可以代表0或1的二进制状态，而量子计算机用量子比特编码信息，每个比特可以同时代表0、1或0和1的组合。因此，量子计算机的功率随着每个量子比特的增加而呈指数级增长）。

美国国家科学院（NAS）将纠缠定义为 "一个系统中的两个或更多的量子对象可以有内在的联系，从而使对一个对象的测量决定了对另一个对象可能的测量结果，无论这两个对象相距多远"。纠缠是量子技术的一些潜在军事应用的基础。然而，由于量子状态的脆弱性，叠加和纠缠都很难维持，它们可能会被微小的运动、温度变化或其他环境因素所破坏。

2 量子技术的军事应用

美国国防科学委员会（DSB），一个独立的国防部（DOD）科学顾问委员会，已经得出结论，量子技术的三种应用对国防部来说最有希望：量子传感，量子计算机，和量子通信。DSB的结论是，量子雷达，假设能够识别物体的性能特征（例如，雷达截面，速度）--包括低可观察性，或隐形飞机--"不会为国防部提供升级的能力"。

2.1 量子传感

量子传感在传感器内使用量子物理学原理。根据国防部的说法，这是量子技术最成熟的军事应用，目前 "准备用于任务"。量子传感可以提供一些增强的军事能力。例如，它可以提供替代性的定位、导航和计时选项，理论上可以使军队在GPS退化或GPS否认的环境中继续全力以赴地工作。

此外，量子传感器有可能被用于情报、监视和侦察（ISR）的作用。这种传感器的成功开发和部署可能会导致潜艇探测的重大改进，并反过来损害海基核威慑力量的生存能力。量子传感器还可以使军事人员探测地下结构或核材料，因为它们预计 "对环境干扰极其敏感"。量子传感器的敏感性同样有可能使军事人员探测到电磁辐射，从而增强电子战能力，并有可能协助定位隐蔽的对手部队。

2.2 量子计算机

根据美国国家航空航天局的说法，"量子计算机是唯一已知的计算模型，可以提供比今天的计算机更高的指数级速度。" 虽然量子计算机处于相对早期的发展阶段，但其中许多进展是由商业部门推动的，可能对人工智能（AI）、加密和其他学科的未来产生影响。

例如，一些分析家认为，量子计算机可以使机器学习（人工智能的一个子领域）取得进展。这种进步可以刺激改善模式识别和基于机器的目标识别。这反过来又能促成更精确的致命自主武器系统的发展，或能够选择和打击目标的武器，而不需要人工控制或远程操作。启用人工智能的量子计算机有可能与量子传感器配对，以进一步加强军事ISR应用。

此外，量子计算机有可能解密存储在加密媒体上的机密或受控非机密信息，使对手能够获得有关美国军事或情报行动的敏感信息。一些分析家指出，要打破目前的加密方法，可能需要在量子计算方面取得重大进展。他们的估计表明，要破解目前的加密方法，需要一台具有约2000万个量子比特的量子计算机；然而，目前最先进的量子计算机一般不超过256个量子比特。

量子计算机的实际应用可能只有在错误率提高和新的量子算法、软件工具和硬件开发之后才能实现。虽然正如NAS所指出的，"不能保证[这些技术挑战]将被克服"，但一些分析家认为，能够破解当前加密方法的初始量子计算机原型可能在2030至2040年的时间框架内开发出来。出于这个原因，NAS得出结论："后量子密码学的开发、标准化和部署对于最大限度地减少潜在的安全和隐私灾难的机会至关重要"。(在部署后量子密码学之前截获的信息将不会受到保护)。

2022年5月，拜登政府发布了《关于促进美国在量子计算方面的领导地位，同时减少对脆弱的密码系统的风险的国家安全备忘录》（NSM-10），其中 "指示各机构在美国开始将脆弱的计算机系统迁移到抗量子密码学的多年过程中采取具体行动"。NSM-10指出，国家标准和技术研究所所长和国家安全局局长正在制定并预计在2024年之前公开发布抗量子密码学的技术标准，此外还列举了一个国家 "在2035年之前尽可能多地缓解量子风险的目标"。

2.3 量子通信

量子通信--不包括量子密钥分配（[QKD]，将在下文中讨论）--正处于一个新兴的发展阶段。量子通信在理论上可以实现量子军事传感器、计算机和其他系统的安全联网，从而提高单个量子系统或经典通信网络的性能。联网还可以加强这些系统在射程上的稳健性，从而扩大它们可以部署的潜在环境（即在维持脆弱的量子状态通常需要的实验室环境之外）。这可以大大扩展量子通信的军事用途。

量子密钥分配是量子通信的一个子集，它利用量子物理学原理对信息进行加密，然后通过经典网络发送。QKD实现了安全通信，在传输过程中不能被秘密截获。(然而，QKD通信可以在目前长距离传输所需的中继站被截获）。据报道，中国正在大力投资QKD，并在2016年完成了北京-上海约1250英里的量子网络的建设。然而，DSB的结论是："QKD的实施还没有足够的能力或安全性来部署给国防部的任务使用。"

3 资金和最近的立法活动

国会已经考虑了量子技术的管理和影响。例如，2019财年国防授权法（NDAA）（P.L. 115-232）第234条指示国防部长--通过国防部研究与工程副部长行事--与私营部门和其他政府机构协调，执行量子技术研究和开发计划。

此外，FY2020 NDAA（P.L. 116-92）第220条要求国防部制定使用量子技术的道德准则，以及支持量子劳动力和减少与量子技术相关的网络安全风险的计划。它还授权每个军事部门的部长建立量子信息科学（QIS）研究中心，可以 "与适当的公共和私营部门组织合作"，以推进量子研究。迄今为止，海军已指定海军研究实验室作为其QIS研究中心，而空军已指定空军研究实验室作为空军和太空部队的QIS研究中心。陆军说它目前不打算建立一个QIS研究中心。

2021财年NDAA（P.L. 116-283）第214条指示各部门编制并每年更新一份量子计算机在未来一到三年内可能解决的技术挑战清单。该清单目前包括量子化学、优化和机器学习。第214条还指示各部门与中小型企业建立项目，为政府、工业和学术研究人员提供量子计算能力，以应对这些挑战。第1722条指示国防部对量子计算机带来的风险以及当前的后量子密码学标准进行评估。

最后，2022财年NDAA（P.L. 117-81）第105条指示总统通过国家科学技术委员会建立量子信息科学的经济和安全影响小组委员会，而第229条指示国防部长 "建立一套活动，以加速开发和部署双重用途的量子能力"。

国防部在最近的预算请求中没有提供量子研究的细目；然而，根据数据分析公司Govini，国防部在2021财政年度要求为量子技术和研究提供约6.88亿美元。