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天恒科普|量子计算与防御
发表时间:2019-03-01

2019年2月15日,英国国际战略研究所发布《军事平衡2019》研究报告。本文简单介绍其中“量子计算与防御”相关章节内容。这一部分内容主要阐述了量子技术在国防领域的主要应用、世界主要国家的发展情况,以及量子技术在计算机领域尤其是地缘政治方面所具有的作用优势,认为量子技术将对各国的国防建设发展产生深远影响。

报告指出,对量子技术进行整合是目前军队最为期望的发展之一,但其确切影响还难以预测。虽然对量子技术的经济应用和广泛使用还需要数年时间,但毫无疑问的是,当量子技术被大规模使用时,将会产生一定的颠覆性影响。2018年5月,英特尔科技公司的量子计算主管就曾表示:“如果10年后我们有一台拥有几千位比特的量子计算机,那肯定会像第一台微处理器那样改变整个世界。”与此同时,虽然量子技术最终将会对军事力量、情报部门和执法机构产生深远影响,但尚不清楚它将在多大程度上改变国家之间或国家与非国家行为体之间的传统性权力平衡。


一、潜在的军事应用

报告指出,在量子信息科学领域,与国防相关的新型应用正在产生,这些应用通常以“量子”单一命名的方式组合在一起,但这些应用值得进行独立思考。量子密钥分配、量子密码分析和量子传感都有望以不同的方式对战略安全产生重要影响。例如,量子密钥分配为防御者提供了有利条件,以确保他们的通信安全,而量子密码分析则是一种固有的攻击能力,尽管这种能力正在以较慢的速度发展成熟。广义量子计算还将提供许多其他的可能性,但在此阶段还很不确定,无法对它们的二阶效应进行一致分析。


量子秘钥分配

最常见的量子加密形式是在安全通信会话启动期间,使用光子的量子“叠加”效应来传输密钥,根据海森堡的不确定原理,光子的精确状态是不确定的,直到它们被孤立并测量到,也就是直到它们表现出特定的极化状态。基于截取(或‘窃听’)量子比特的过程会不可逆转地改变它,这就使量子秘钥分配为人们提供了一种能够掌握通信是否被拦截或窃听的有价值的方法手段。量子秘钥分配技术适用于现有的加密通信系统,但直到过去几年时间里,它一直面临着远距离应用方面的挑战,因此在有限的环境之外该技术手段尚无法应用。


量子密码分析

量子密码分析是指量子计算对编码信息进行解密的具体应用。目前的加密标准主要依赖于对数据进行编码的数学算法,这些算法在任何合理的时间内都是能够被有效破解的。例如,美国军事级的、先进的256位加密标准,如果使用现代计算机通过蛮力方法(即基于所有可能解决方案的“试错”方法),理论上需要数十亿年的时间才能破解。然而,量子计算机最终将能够代替这种依序试错的方法来处理这些复杂的数学问题,从而实现同时考虑多种可能的替代方法。量子密码分析的前景是如此诱人,以至于一些国家已经开始收集加密的国外通信,期望将来能够从这些数据中提取出有价值的秘密。当量子密码分析确实可用时,它将通过广播或拦截通信的方式进行解密,从而对国际关系产生重大影响。对于那些广泛依赖加密以确保军事行动、外交信函或其他敏感数据安全的国家来说,这可能是一个分水岭事件。


量子传感测量

2018年9月美国发表了“国家量子信息科学战略概览”,其中将量子传感定义为“利用量子力学提高测量的基本准确度和/或为传感器和测量提供新的机制或模式”。这种新的能力将具有明显的军事优势。英国国防科学专家委员会就强调:“改进重力传感器(量子重力计)的潜在重要性,在于它可以探测水下运动的物体,如潜艇。”利用量子技术测量磁场微小变化的超导磁强计也可以用来定位敌方潜艇,而量子雷达还可以用来探测低空侦察飞机。英国国防科学和技术实验室也讲到:“量子传感技术预计将会开启新的军事颠覆性技术,例如新型通信或雷达模式。”量子技术已经成为原子钟小型化相关发展的一部分,并在定位、导航、计时等方面发挥作用。

尽管目前量子计算技术还处于研发阶段,尚不能预见未来还会有哪些发明,或者是友好力量或对手将如何利用它们,但量子计算将来可能会带来一些其他颠覆性应用。然而,量子计算并不能完全取代基于晶体管和硅制微芯片的经典计算方法。相反,量子计算最好被考虑为一种替代的、互补的,甚至是增效技术,将来能够解决一些目前计算机无法解决的问题,但对于解决当前计算机所擅长的问题而言,这种技术也很可能是相对无效的,或者只是稍微好一点。

二、国家计划

报告指出,一些国家正大力投资于量子研究,以获得经济和军事优势。量子计算的军地两用性质,意味着一些私营公司和大学也将在这些新技术的发明和改造中发挥关键作用。在2018年3月提交给英国下议院的科学技术委员会的报告中,英国物理研究所就宣称:“英国需要通过深化学术界和工业界之间的联系,利用相关产业优势,将其强大的研究基础转化为商业产品”。在这场新型技术竞赛中,一个民族国家可以在多大程度上调动资源,优先发展军事应用,将会显示出决定性优势。


中国发展情况

中国是量子研究和发展的早期引领者,2016年北京发出了一项声明,努力在2030年前实现量子技术的重大突破。同年,北京发射了世界上第一颗量子卫星,该卫星于2017年将一个光子传送到地球。现在,该卫星已经成功完成了从轨道到中国兴隆和奥地利格拉茨的地面站的量子秘钥分配工作。2017年,中国还在北京和上海之间建立了第一个远程地面量子通信链路。这些科学成就代表着具有里程碑意义的重要举措,可以确保中国政府的通信不被外国窃听,至少在后量子密码分析成为一项功能性实际应用之前是如此。中国还计划投资100亿美元,在安徽合肥建立国家量子信息科学实验室,用于领导和带动全国量子计算和传感技术的发展与应用。


美国发展情况

在实现国防量子应用的竞赛中,美国是另一个引领者。自2016年以来,美国政府在量子研究方面投资超过2亿美元,2018年美国能源部和国家科学基金会承诺通过2到5年的时间,投资2.5亿美元支持量子传感、计算和通信。在军队方面,美国陆军研究办公室为量子计算方面的广泛研究提供资金,而美国空军则将其视为信息和太空战争中具有革命性的高新技术。更为重要的是,如Google、 IBM、 Intel 和 Microsoft之类的私营部门公司,也已经进行了近十年的量子研究。在西方,他们和加拿大D—Wave系统公司一起引领着量子计算机的发展,这些计算机将可能会运行在未来的量子技术支撑的军事平台中。


欧洲国家发展情况

总体而言,欧洲国家也在进行大量投资,并取得了重大进展。欧盟委员会的量子技术旗舰项目将是一项规模庞大的研究项目,在未来十年内规模将达到10亿欧元,合计11亿美元,其重点是量子技术的通信、计算、模拟和传感这四个主要领域。2013年,英国政府宣布为自己的国家量子技术项目投资4.22亿美元,目的是“建立一个协调一致的政府、工业和学院的量子科技界”,2018年末量子技术成为英国议会调查的主题。法国总统马克龙于2018年5月与澳大利亚时任总理马尔科姆·特恩布尔签署了一份谅解备忘录,内容是两国合资开发量子硅集成电路并将其商业化。2018年9月,德国宣布2018至2022年间为量子技术研究提供一笔新的资金,价值6.5亿欧元,合计7.71亿美元。

俄罗斯也在俄罗斯量子中心投资发展量子计算,但没有投入像其他国家那么多的资金力量,仍落后于中国和美国,这可能与20世纪90年代以来俄罗斯科研能力的总体下降有关。但据报道,俄罗斯总统普京已将国家研发支出提高至俄罗斯国内生产总值的1%,其中1870亿卢布(合计30亿美元)用于2018年的基础科学研发工作。


三、量子优势

报告指出,“量子优势”是指量子计算机的执行任务能力超过当今最强大的传统超级计算机。谷歌在2018年发布了其72位处理器,超过了IBM前一年的50位处理器记录,并宣传它的新型芯片可能在一年内具备量子优势。然而,重要的不仅仅是量子比特的数量,还有一些其他因素也很重要,包括量子电路的“深度”,或是在错误扩散影响到真实的计算能力之前,可以执行多少逻辑运算,这就是IBM研究人员所称的“量子体积”。英特尔也认为量子技术非常复杂,需要大量的时间来完善商业应用程序。


报告进一步深刻指出,同样值得考虑的是对地缘政治而言,量子技术可能意味着什么。人们有理由关注,随着量子技术的出现,将会加剧世界各国之间的数字鸿沟,加大安全差距。如量子密码分析,理论上可能是一个伟大的均衡器,但在现实中可能只有富裕、先进的国家才有能力经营这项所需资产。如果少数几个国家能够通过量子密钥分配或后量子加密算法,迫使其对手的通信对己实现透明,同时保护自己的通信安全,那么霸权主义关系可能会持续存在下去。同样的情况也适用于大规模数据处理,能够为技术先进的国家提供实时情报和运行优势。这一潜在的新型安全困境,在2018年10月第四届欧洲网络安全论坛上被提出。与其相反,量子技术的发展和广泛传播也可能会随着时间的推移,逐渐削弱一些大国的相对优势。如果每个国家政府都能确保其通信安全,以前所未有的规模和速度处理情报数据,并在空中或海底探测外国军事资产,那么均衡效应就会显现。在现阶段可以确定的是,技术上的量子优势是不可阻挡的,而且是近在咫尺的,量子技术的颠覆性影响很可能导致各国改变其防务姿态。