CRS:量子计算在军事应用的报告

  据美国国会研究服务处(CRS)5月24日发布了《量子计算军事应用报告》,报告称,量子技术将量子物理学原理转化为技术应用。总的来说,当前量子技术尚未成熟;然而,它可能对军事传感、加密和通信的未来以及国会的监督、授权和拨款产生重大影响。

  量子应用依赖于许多关键概念,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中的能力。量子比特是一种利用叠加原理对信息进行编码的计算单元。(经典计算机以比特编码信息,比特可以表示0或1的二进制状态,而量子计算机用量子比特来编码信息,每个量子比特可以同时表示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相应地增加。)

  纠缠是由美国国家科学院(NAS)定义的一种性质,即“一个系统中的两个或两个以上的量子物体可以内在地联系在一起,这样一个物体的测量决定了另一个物体可能的测量结果,不管两个物体相距有多远,“纠缠支撑着量子技术的许多潜在军事应用。然而,由于量子态的脆弱性,叠加和纠缠都很难维持,量子态可能会被微小的运动、温度的变化,或其他环境因素。

  国防科学委员会(DSB)是一个独立的国防部(DOD)科学顾问委员会,它认为量子技术的三个应用对国防部最有希望:量子传感、量子计算机和量子通信,假设能够识别包括低可观测或隐身飞机在内的物体的性能特征(如雷达截面、速度),“不会为国防部提供升级能力。”

  一是量子传感。量子传感是传感器中的量子物理原理。根据DSB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”。量子传感可以提供许多增强的军事能力。例如,它可以提供替代的定位、导航和定时选项,这在理论上是允许的在GPS降级或拒绝GPS的环境中,军事系统继续以最佳性能运行。此外,量子传感器还可能被用于情报、监视和侦察(ISR)领域。这种传感器的成功研制和部署将大大改善潜艇探测,进而损害海基核威慑力量的生存能力。由于预期的“对环境干扰的极端敏感性”,量子传感器还使军事人员能够探测地下结构或核材料。同样,量子传感器的敏感性也可能使军事人员能够探测电磁辐射,从而增强电子战能力,并有可能协助定位被包围的敌军。

  二是量子计算机。根据美国国家科学院的说法,“量子计算机是唯一已知的计算模型,它可以提供比当今计算机更快的指数级速度。”虽然量子计算机处于相对早期的发展阶段,但许多由商业部门推动的进步可能对人工智能(AI)的未来产生影响,加密和其他学科。例如,一些分析人士认为量子计算机可以促进人工智能的一个分支机器学习的发展,这种发展可以促进模式识别和基于机器的目标识别的改进。这反过来又可以开发更精确的致命性自主武器系统,或无需人工控制或远程操作就能选择和攻击目标的武器。人工智能量子计算机有可能与量子传感器结合,进一步增强军事情报、监视与侦察应用。此外,量子计算机还可以对存储在加密媒体上的机密或受控非机密信息进行解密,使对手能够获得有关美国军事或情报行动的敏感信息。一些分析人士指出,量子计算的重大进展可能需要打破目前的加密方法。他们的估计表明,要打破现有的加密方法,需要一台约2000万量子比特的量子计算机;然而,当今最先进的量子计算机一般不超过100个量子比特。量子计算机的实际应用只有在提高错误率和开发新的量子算法、软件工具和硬件之后才有可能实现,一些分析人士认为,一个能够打破现有加密方法的量子计算机原型可能是可行的在2030年至2040年的时间框架内开发。因此,NAS得出结论:“后量子加密的开发、标准化和部署对于最大限度地减少潜在安全和隐私灾难的可能性至关重要。”(部署后量子加密之前截获的信息将不受保护。)

  三是量子通信。不包括量子密钥分配的量子通信(QKD)正处于一个新的发展阶段。量子通信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,与单量子系统或经典通信网络相比,网络可以进一步增强这种系统的健壮性,从而扩大部署它们的潜在环境(即:在实验室之外,通常需要维持脆弱的量子态),这可以极大地扩展量子通信的军事用途。

  量子密钥分发是量子通信的一个子集,它利用量子物理原理对通过经典网络发送的信息进行加密。量子密钥分发可以实现在传输过程中不能被秘密拦截的安全通信,据报道,中国正在大力投入量子密钥分发,并于2016年完成了一个长约1250英里的京沪量子网络的建设,DSB的结论是,“QKD的实施没有足够的能力或安全性,无法部署用于国防部的任务。”

  国会审议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节指示国防部长通过负责研究和工程的国防部副部长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节要求国防部制定量子技术使用的道德准则,以及支持量子工作人员和降低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秘书建立量子信息科学(QIS)研究中心,可以“与适当的公共和私营部门组织接触”,以推进量子研究。到目前为止,海军已经指定纳瓦尔研究实验室为其QIS研究中心,而空军正在指定空军研究实验室为空军和航天部队的QIS研究中心。军方表示,目前不打算建立QIS研究中心。

  2021财年NDAA(P.L.116-283)第214节指示服务部门编制并每年更新量子计算机在未来1-3年内可能面临的技术挑战。它还指导服务部门与中小企业建立项目ESTO提供量子计算能力,政府、工业,第1722节指导国防部对量子计算机所构成的风险以及当前的后量子密码标准进行评估。

  国防部没有提供量子研究初始2021财年预算请求的细目;然而,据数据分析公司Govini称,国防部要求在2021财年为量子技术和研究提供约6.88亿美元。

  目前量子技术军事应用的成熟程度如何?如果有的话,美国政府应该在多大程度上投资和研究能够实现量子军事应用的技术(例如,材料科学、制造技术)?

  美国竞争对手开发量子技术军事应用的努力有多成熟?这些努力会在多大程度上威胁到美国先进的军事能力,如潜航和隐形飞机?

  目前正在采取哪些措施来开发抗量子加密和保护使用当前方法加密的数据?如果有的话,美国应该采取什么措施来确保量子劳动力足以支持美国在量子技术方面的竞争力?

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