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杜穎：量子技術將如何改變戰爭？

點擊：作者：杜穎來源：中國指揮與控制學會發布時間:2020-12-28 11:41:30

導讀：量子技術是當前世界上最具顛覆性的前沿技術之一，已經成為世界主要國家進行高新技術競爭的重要領域。以量子力學為理論基礎發展起來的量子信息技術衍生出量子密碼和量子計算，前者從理論上提供一種不可截獲和破譯的絕對安全的新型密碼體制，而后者極其強大的并行計算能力可以輕易破解基于數學問題的經典密碼體制。因此，誰先搶占這一技術領域的戰略制高點，誰就能把握決定未來信息化戰爭勝敗的關鍵因素。本文介紹了量子技術在量子計算、通信、探測方面的應用和研究，并討論了量子技術在未來戰爭中的應用，對未來戰爭場景進行了猜想。本文編譯的目的在于闡述量子技術的主要觀點，關注量子技術的當代應用和發展趨勢，解釋量子技術研究方法，說明量子技術在未來戰爭中的應用。

量子力學武器化:未來戰爭中的量子技術

雷納·G·貝倫德森-MAJ（荷蘭皇家軍）的專著

美國陸軍指揮和總參謀部學院，利文沃斯堡，KS

2019

簡介

假想一下，有一臺計算機能在不到眨眼功夫的時間內解決了當今最快的超級計算機無法解決的數學問題。再假想一下，有一種技術能讓觀察者看穿墻壁，或者能看到世界海洋最深處的情況。再假想一下，有一種技術可以建立一個不可破解的全球網絡，又同時可以讓對手最機密的數據在己方變得透明。

這些都是量子計算機和量子技術的特點，它們將決定未來幾十年、甚至幾百年的全球信息技術的未來。它代表了一場與現代歷史上任何一場戰爭一樣深刻的變革，我們正站在這場革命的邊緣，它帶來了希望，也帶來了危險。

-亞瑟·赫爾曼《贏得量子計算競賽》

我在想比炸彈更厲害的東西。我在考慮量子計算機。

-約翰·馮·諾伊曼《宇宙波瀾》

歷史表明，新技術可以顯著改變戰爭的面貌。1939年，一艘德國潛艇在英格蘭南海岸外的海峽被抓獲后，英國情報官員繳獲了一臺德國恩尼格瑪(Enigma)密碼機。在波蘭密碼分析人員的幫助下，英國專家建造了一臺破譯機，使他們能夠破譯德國的信息，這在整個二戰期間給盟軍在戰術和操作上帶來了巨大的情報優勢。

1938年，德國化學家偶然發現了核裂變。由于擔心納粹德國會研制出原子彈，美國政府啟動了曼哈頓計劃。這個項目的目的是制造一顆原子彈來對抗納粹德國的類似炸彈威脅。當德國在六年的戰爭后向同盟國投降時，太平洋地區對日本的戰爭卻仍在繼續。美國在廣島和長崎投下兩顆原子彈，第二次世界大戰便在日本投降時宣告結束了。

密碼機Enigma和曼哈頓計劃都是經過深思熟慮的政府秘密計劃，都有科學家、數學家、物理學家和軍方的大規模合作。“密碼機”的破譯對戰爭的推進產生了重大影響，而“曼哈頓計劃”強烈地影響了戰爭的結果，并產生了廣泛的戰略效果，而這些影響至今仍存在。

今天，經歷了第四次工業革命，看其所帶來的創新速度以及新出現的技術，經典的克勞塞維茨關于戰爭性質的理論比以往任何時候都更受到質疑。目前，各商業公司正在與重點大學研究團隊合作，研究量子技術的潛力。量子技術一個最重要的應用例子就是量子計算。

摩爾定律指出，計算機的處理能力每兩年將翻一番。然而，根據物理學量子計算和量子信息標準教科書的作者邁克爾·尼爾森Michael A. Nielsen和Isaac L. Chuang的說法，其處理能力的增長正在放緩，摩爾定律預計將在2020年左右結束。因此，Nielsen和Chuang建議“解決摩爾定律最終失敗所帶來的問題的一個可能的解決方案是轉向一個不同的計算模式。”量子計算理論提供了這樣一個范例，它是基于使用量子力學而不是經典物理的思想。

雖然今天的量子計算機還不能與傳統計算機競爭，但量子專家預計，量子計算機將在2025年至2030年之間超越“量子霸權”。第一個跡象是，量子計算機有潛力搜索大量數據，解決問題的速度比傳統計算機快得多。此外，量子計算機還可以破解密碼系統，促進人工智能(AI)和安全通信。

預計美國將在量子計算領域擁有早期優勢。業界領先的公司，如谷歌、微軟和IBM，至少在不久的將來應該在美國繼續發展這一概念。然而，中國也在探索量子技術的應用，在量子通信領域已經超過了美國。

美國《2018年國防戰略》(NDS 2018)確認了以低準入壁壘跟上新技術高速發展的重要性。NDS 2018稱，“新的商業技術將改變社會，并最終改變戰爭的性質。”許多技術發展將來自商業部門，這意味著國家競爭者和非國家行為者也將獲得這些技術，這一事實有可能侵蝕美國已經習以為常的傳統優勢。”

因此，認識到量子技術及其應用的重要性，發展量子技術的整合，理解2018年NDS的戰略背景，在操作藝術的范式中考慮量子技術是必要的。量子技術是一種新興技術，有可能重塑世界，引發新的軍備競賽。鑒于量子技術的早期階段和這一技術優勢對對手的潛在重要性，這一專著分析了量子技術和檢查其在未來戰爭的潛在重要性。

本文由五章組成。第一章闡述了量子技術的主要觀點。第二章將重點關注量子技術的當代應用和發展趨勢，以建立一個全面的視角來了解量子技術及其潛力。第三章將解釋研究方法。第四章繼續就該專題討論，其中提出了三種方案來說明量子技術在未來戰爭中的應用，并以第五章結束。

第一章：量子技術

量子力學:微積分中真正的“黑魔法”。

-阿爾伯特·愛因斯坦《量子計算和量子信息》

對于那些第一次接觸量子理論時不感到震驚的人來說，他們不可能理解它。

尼爾斯·玻爾，量子:愛因斯坦，波爾，和關于現實本質的偉大辯論

沒有量子力學，就不能寫量子技術。雖然對量子力學的廣泛科普超出了這一專著的范圍，但它是一個討論量子力學的簡單且必要的主題。根據Meriam Webster（韋伯斯特）量子力學的理論,是基于占有的概念及基本粒子的波動性概念,這在提供一個數學化解釋物質的結構和相互作用的基礎上,描述這些屬性,這包含量子理論和不確定性原理。

Nielsen和Chuang將量子力學描述為構建物理理論的數學框架或規則集。其中一個例子就是量子電動力學，它研究原子和光的相互作用。量子計算理論家、《自德謨克利特以來的量子計算》(Quantum computing Since Democritus)一書的作者斯科特•阿隆森(Scott Aaronson)或許是做出了對量子力學最好的科普解釋。他描述了科學的層次結構，生物處于頂端，然后是化學，然后是物理，然后是數學，其中量子力學位于數學和物理之間。Aaronson認為量子力學是其他物理理論作為應用軟件運行的操作系統。在他看來，量子力學的本質“是關于信息、概率和可觀測的，以及它們之間是如何相互關聯的理論。”

量子力學試圖，分類和預測物理世界的行為。它研究物質(例如質子、電子和中子)、能量及其相互作用。這在一定程度上是一個挑戰，理論物理學家、1965年諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼(Richard Feynman)對此做出了最好的解釋:“我要告訴你大自然是什么樣子的……如果你有可能避免它，就不要一直對自己說，‘怎么會是那樣的呢?’”“因為你會‘掉進陰溝里’，進入一個還沒有人逃出來的死胡同。沒人知道會是這樣。”半個多世紀過去了，物理學家們仍在爭論如何解釋量子力學。

牛頓定律和愛因斯坦的理論使我們能夠準確地預測和理解日常世界中物體的運動，并創造我們對現實的感知。然而，牛頓定律并不適用于亞原子層面，并且與量子力學定律相矛盾，因此，這就意味著對現實的另一種感知是可能的。

當討論量子現象如疊加和糾纏時，現實就變得更像科幻小說了。處于疊加狀態的粒子同時表示多種狀態。糾纏允許粒子相互連接，即使距離很遠。當其中一個粒子被測量并顯示出它的狀態時，另一個粒子立即顯示出與被測量的粒子相反的狀態。

雖然量子力學方程是正確的，物理學家也熟悉了這種似是而非的現實，但爭論的主要部分圍繞著理解質子、電子和中子等粒子行為的不同視角展開。一方面，物理學家相信人們可以預測粒子的行為。另一方面，一些物理學家強調，如果想對一個粒子的行為作出評價，就必須測量它的行為。然而，當測量一個粒子時，測量本身會影響該粒子的特定行為，這表明在被測量之前，真實并不存在。

盡管物理學家之間一直在進行討論，但如果沒有量子力學，像激光、晶體管和我們所有的電子硬件這樣的發明就永遠不會成為現實。這些專著超越了量子力學的理論和特性，并集中在已經充分利用量子力學力量的量子技術應用上。最相關應用的量子技術為量子計算，量子通信，和量子探測。在下一章中，我們將相應地討論這三個問題。

第二章:量子技術的應用

從有關量子技術各種應用的專利申請量、發表著作量以及量子技術的最新發展情況來看，中美兩國在量子技術發展和應用的研究中可以視為平等的。在其他國家落后的情況下，美國和中國的發展為未來的軍事目的提供了一個概述和可能的方向。

量子計算

數字計算機通過使用它的微處理器(如因特爾、AMD)處理信息來解決問題。一個普通的微處理器由10到20億個晶體管組成。這些晶體管負責電子的流動，可以打開或關閉以表示數值1或0。這個數值也稱為位。比特被組織成更大的結構單位，如數字、字母、單詞，這些可以代表幾乎任何形式的信息，如文本、聲音、圖片或移動圖像。

量子計算機使用量子位元而不是普通位元。量子位元可以同時表示1或0。這是可能的，因為有疊加現象。因在美國國家標準與技術研究所(NIST)在量子力學方面的實驗工作而獲得2012年諾貝爾物理學獎的戴夫·溫蘭德(Dave Wineland)解釋說，疊加原理與可以在碗中來回滾動的彈珠類似：

“在原子離子實驗中，我們可以制造原子彈珠。我們可以讓它來回滾動，就像彈珠在一個真正的碗里一樣。在某個時間點，原子會在碗的右邊，再過一會兒，原子會在碗的左邊,但我們也可以創建一種狀態，原子同時在碗的右邊和左邊。”

然而，疊加很容易由于與環境的相互作用、雜散噪聲或測量而中斷，迫使量子位元充當普通位元。這種干擾被稱為退相干。解決這個退相干問題的方法是通過隔離來保護量子位元。解決退相干問題被視為創建穩定可靠的量子計算機的關鍵因素。

另一種量子現象是糾纏。通過連接量子位元，計算機能力顯著提高。糾纏量子位可以使并行操作的數量翻倍。然而，量子位元的糾纏也需要一個穩定和可控的環境。因此，量子計算機由一個屏蔽結構和一個冷卻系統組成，用來在幾乎絕對開爾文零度(-459.67華氏度)下冷卻量子位。

“九章”量子計算機

三種量子計算機

今天有三種已知的量子計算機:量子退火爐，模擬和通用型。量子退火是最容易建造的，具有與經典計算機相當的計算能力。與其形成量子糾纏，量子退火可以通過依賴偶然糾纏的量子位元來解決1000或更多量子位元的問題。量子退火器被優化為只執行一種特定的功能，使更快的飛行成為可能。量子退火技術將能夠“加速研究更好的航空航天材料，這些材料可以屏蔽輻射或經受熱量，或者模擬機翼上的流動。”2017年，量子計算公司D-Wave Systems建造了一個2000量子位的商用量子退火爐。

第二種類型的量子計算機是模擬量子計算機。模擬量子計算機比經典計算機具有更強的計算能力，可以模擬經典計算機無法處理的復雜量子相互作用。模擬量子計算機可以模擬物理過程。例如，這可能包括在受控實驗中模擬地球氣候的某些方面，或模擬電力傳輸的最佳無損耗方式。這些模擬器已經建立了多達51個量子位元。

第三種量子計算機是通用量子計算機。今天，因為在計算時管理永久糾纏態的量子位的技術挑戰，一個通用的量子計算機仍然很難建立。一臺通用量子計算機將能夠運行復雜的算法，發現數據中的模式，并解決最先進的經典計算機無法解決的問題。2017年，計算機公司IBM成功地將20個量子位有效地糾纏在一臺通用量子計算機中。

通用量子計算機的誕生不會在一夜之間就發生。此外，在通用量子計算機取代傳統計算機之前，預計這種計算機從需要一組專家來操作的全房間大小的機器，到一些便攜式或可穿戴的物品，如筆記本電腦或手表，還需要一些時間。

美國已經意識到量子技術的未來潛力。最近，美國眾議院通過了一項國家量子倡議法案。該法案要求總統政府實施一個為期十年的國家量子計劃，以加速量子信息科學和技術應用的發展。該法案旨在“通過支持量子信息科學和技術的研究、開發、示范和應用，以促進和擴大該領域相關研究人員、教育工作者、學生和設施的數量，確保美國在量子信息科學及其技術應用方面繼續保持領導地位。”該計劃將在2019年至2023年期間撥款12億美元給美國各個相關領域的研究所。

根據亞瑟·赫爾曼博士和伊達利亞·弗里德森的說法，國家量子計劃對美國國家安全至關重要，并且為國家量子戰略鋪平了道路。赫爾曼通過與確保美國擁有第一顆原子彈的曼哈頓計劃進行比較，強調了這一點的重要性。

最近，美國國防部(DoD)宣布將其軍事信息技術(IT)系統轉移到云上。新的聯合企業防御基礎設施(JEDI)將為美軍提供更高效和更靈活的數據使用。然而，由于所有數據都是集成的，它也可能會產生單點故障。因此，新項目應該解決量子威脅，并使“Q-day proof”。Q-day是指量子計算機能夠破解強大加密的日子。屆時未受保護的數據可能會受到影響。此外，美國的對手可能已經積累了加密的敏感數據，然后能夠解密這些數據。

由于擔心量子計算機可能會破壞現有的加密算法，NIST正在組織研討會，與公共開發人員進行接觸，獲取后量子算法的專業知識，以取代他們目前的標準。

美國認識到與私營企業合作以跟上量子計算發展的重要性。最近，商務部負責標準與技術的副部長和NIST主任Walter G. Copan宣布成立量子經濟發展聯盟(QEDC)。QEDC由政府和私營成員組織共同資助，旨在促進量子技術的研究和發展。

美國政府已經建立了重要的伙伴關系。美國國家航空航天局(NASA)、洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)和大學空間研究協會(USRA)正在試驗D-Wave 2000Q量子計算機。自2013年以來,這些機構創造了量子人工智能實驗室安裝了一個D-Wave量子電腦,用它來探索潛在的量子計算及其適用性廣泛的復雜的問題,如網絡搜索、語音識別、規劃和調度、空中交通管理、機器人任務到其他行星,并支持業務任務控制中心。

D-Wave 2000Q有多達2048個量子位元，大約有700立方英尺，并使用量子退火來尋找問題的解決方案。D-Wave系統為開發者提供了一個開源的工具包，一個云服務，并為他們提供一次一分鐘的量子處理，從而使量子計算向公眾開放。加拿大的D-Wave系統公司聲稱D-Wave 2000Q是“世界上最先進的”。谷歌、英特爾、Rigetti（里格蒂計算機公司）和IBM等其他公司也在創建開源編程平臺，并為遠程實驗提供基于云的量子訪問。最終，這些公司看到了量子計算在醫藥、藥物發現、金融、優化和網絡安全等領域的應用。另外，根據谷歌AI的說法，“量子計算是一個新的范例，它將在加速人工智能任務方面發揮重要作用。”

憑借其量子位量子計算機處理器，谷歌在第一臺通用量子計算機的競爭中處于領先地位。然而，里格蒂計算機公司的創始人查德·里格蒂聲稱，他們已經為量子計算機設計了一種微芯片，這種芯片的量子位元數量將是里格蒂（Rigetti）目前計算機的六倍多。里格蒂希望在2019年之前制造出一臺具有128量子位元功能的計算機。里格蒂說，如果這能取得成功，它將成為世界上最強大的量子計算機，并且有可能超過傳統的超級計算機。一切都在朝著超新星爆發的方向發展，這就是量子的優勢。”

中國也認識到量子技術的潛力。自2017年以來，中國開始斥資100億美元建設量子信息科學國家實驗室。該設施預計將于2020年投入使用。根據《安徽商報》,中國領先年代量子專家潘健胃也是團隊的一部分,中國的記錄建立一個18-qubit通用量子計算機在2018年3月宣布,中國人民解放軍(PLA)將受益于科技發達。《南華早報》寫道,據科學家和有關部門參與項目的中國正在建設世界上最大的量子研究機構開發量子計算機和其他革命形式的軍事技術,可以使用的代碼——打破或隱形潛艇。預計到2020年，中國將擁有一臺50量子位的量子計算機。

與美國一樣，中國也認識到廣泛使用量子計算的好處。2018年2月，中國最大的計算公司之一阿里巴巴聯合中國科學院宣布推出11量子位云量子計算服務。阿里巴巴云的首席量子技術科學家史耀云說:“量子計算服務將使團隊更容易試驗處理器，更好地理解所需的硬件，以及開發量子工具和軟件。一個月后，中國另一家計算機巨頭百度宣布成立其量子計算研究所，致力于量子計算軟件和信息技術的應用。百度量子計算研究所所長段潤遙教授表示，他們的目標是“在5年內把百度的量子計算研究所打造成世界一流的機構”。

量子通信和量子密碼

除了量子計算機的發展，專家們已經將量子力學應用于諸如通信安全等實際應用。與歐洲規模較小的前身相比，量子通信提供商Quantum Xchange已主動部署了美國首個從波士頓到華盛頓特區的量子網絡。網絡允許信息交換而不被破壞使用基于糾纏的量子密鑰分配(QKD)協議。在這種方法中，密鑰與在兩個節點之間傳輸的光子集成。這些光子不能被復制或克隆，通過比較這些光子傳輸之前和之后的測量結果，可以發現潛在的竊聽者。根據Quantum Xchange首席執行官John Prisco的說法，建立量子密鑰分發網絡作為一種防御措施至關重要，“在量子計算機的空前能力成為攻擊武器之前一定守住”。

2016年，中國發射了世界第一顆量子通信衛星“墨子號”。這顆衛星使QKD擁有一個地面站，是中國建設全球互聯網和量子通信網絡的更大雄心的一部分。2017年9月，世界上第一條2000公里長的北京和上海量子通信線路投入運行。然而，面臨的挑戰是，光子在距離上可能被大氣吸收，在地面網絡中則可能被光纖吸收，這使得量子傳輸在運行了幾十公里后就無法實現了。目前，唯一的方法來延長距離是安裝可信節點。這條線路還與墨子號衛星相連。

2018年1月，墨子號衛星啟動了安全視頻會議。從那時起，中國正在快速地向前發展，建立全國性的量子通信網絡。據Elsa Kania說，中國已經建立了該基金會，并正在擴展其保護軍事、政府和商業通信免受最新安全威脅的網絡。中國的第十三個五年國家科技創新計劃——展示了中國在科技創新方面的雄心——描述了到2030年一個完整的國家量子網絡。

量子探測

由于量子探測帶來的潛力對軍事最有用，與量子計算和量子通信相比，關于量子探測的文章很少。由于量子探測器具有糾纏的潛力，因此它可以比傳統的傳感器進行更精確的測量。根據美國空軍科學咨詢委員會的一項研究，空軍使用量子系統，量子導航傳感器可以成為實現GPS無法實現的優勢的一個重要部分。該研究還指出，更好的定時精度將提高空軍的任務和能力，如信號情報(SIGINT)、反DRFM(數字無線電頻率存儲器)、電子戰(EW)和更強大的通信。

在YouTube上一個關于量子探測和通信的未來的視頻中，位于華盛頓特區的美國海軍研究實驗室的研究物理學家Marco Lanzagorta（蘭扎戈塔）博士描述了他最近在量子雷達、水下雷達和成像方面的理論研究。他的中心論點是，這些新應用具有巨大的潛力。然而，廣泛的研究是必要的，把這些新應用的物化。與經典雷達相反，量子雷達不依賴于從物體反射回來的信號。相反，量子雷達利用糾纏光子的現象來獲取物體的信息。蘭扎戈塔說:“量子雷達有更高的目標探測概率，更難以被敵人發現，對干擾也更有彈性。”

蘭扎戈塔還提出了一個更好的替代潛艇聲納雷達和談論鬼影成像。簡而言之，虛影成像可以將從未出現在相機視場中的物體成像。

蘭扎戈塔在總結他的演講時說，他有理由相信量子信息可能是信息時代的原子彈，未來可能會提供我們現在甚至無法想象的其他激進概念。

單光子量子雷達

小結

盡管要體驗量子技術的全部力量還需要一段時間，但人們已經可以看到未來的預兆。量子力學為量子技術的使用帶來了前所未有的應用。盡管其中許多具有和平目的，并將在全球范圍內對社會互動、信息意識和理解產生重大影響，但量子技術用于各種軍事應用并不難。雖然量子技術的一些應用是先驗的，但量子技術的應用預示著美國和中國、物理學家、科學家、數學家和軍方之間的軍備競賽。通過奠定國家量子戰略的基礎，美國和中國都直接認識到量子技術的重要性。

第三章：研究方法

當一個科學家說某件事是可能的，他幾乎肯定是對的。當他說某事不可能時，他很可能是錯的。發現可能極限的唯一方法，就是冒險越過極限，進入不可能的領域。

任何足夠先進的技術都與魔法無異。

Arthur C. Clarke的三技術定律《精神機器的時代》

有效地混淆科學事實和科幻小說，可能是事實科學超越自身、取得更多創新形式之外的唯一途徑。

-Julian Bleecker，設計小說:一篇關于設計、科學、事實和虛構的短文

預測未來可能是一項艱巨的任務。盡管沒有明確的指引，但正如約翰•劉易斯•加迪斯在其著作《歷史景觀》中所寫，預測未來的方法之一是研究過去。科技企業家Andreas Antonopoulos在他的YouTube電影《未來》中指出，應用新技術可以讓你看到的大部分東西都是仿照過去陰影的擬物化設計。這不是創新。通常，意外不是由一項新興技術的影響引起的。這可以用Edward Cornish所說的“過去和未來的連續性”來解釋。按照康沃爾的說法，“如果過去發生的事情和未來將會發生的事情之間沒有聯系，我們將完全無法預測未來發生的事情，也根本無法思考未來。”

軍隊試圖阻止自己參加最后一場戰爭。預測未來的一種方法是通過軍隊編制面向未來的報告。如可視化2050年戰術地面戰場報告和文件:研討會報告和作戰環境和未來戰爭的變化特征，為未來部隊發展提供了一個起點，并為戰略制定者提供信息。

卡爾·馮·克勞塞維茨說過:在戰爭中，比在任何其他地方，是整體支配著所有的部分，用它的特征來標記它們，并從根本上改變它們。換句話說，要想象未來的戰爭，我們需要想象世界和作戰環境將會是什么樣子。框架結構，如政治軍事經濟社會信息基礎設施物理環境時間(PMESII-PT)，和區域結構能力組織事件(ASCOPE)，幫助軍事規劃者描述和定義整體。當一個人研究未來時，在搜索相關的趨勢和發展時，框架結構也很有用。

為了進一步研究量子技術在未來戰爭中的應用，作者采用了一種探索的方法，將場景開發方法和科幻小說的原型相結合。下一節將討論這兩種方法，并將對本文的應用方法進行詳細解釋。

Peter Schwartz是主要的未來學家和場景開發者之一。施瓦茨將發展情景視為一個有紀律、有組織的過程，通過思考決策將如何體現來自由預測未來。情景是一種工具，幫助我們在一個充滿不確定性的世界中有長遠的眼光。專業未來學家Jan Nekkers描述了一個場景,一個故事,描述了一個未來可能在地平線的一年結束,還包含一個對事件的解釋,現在和他們的傳播未來的發展,最后提供了一種內在一致的賬戶如何展開的未來。開發場景沒有一種特定的方法。然而，場景應該圍繞一個必須用場景來回答的問題建立，包括一個時間范圍，并說明對未來很重要的趨勢。此外，場景應該構建在作為每個場景的基礎的內聚框架上。每一種情景還應該以其對未來的影響結束。最后，可以對場景進行監測，以符合實際的發展情況。

另一種研究未來的方法是利用科幻小說中的原型技術。根據未來學家Brian Johnson的說法，科幻原型是一種基于特定科學事實的短篇故事、電影或漫畫，目的是探索該科學或技術的含義、影響和后果。科幻原型可以讓人想象和描述一種技術的未來可能的應用，可以作為進一步討論和促進未來設計的起點。在使用科幻原型制作過程時，首先應該定義自己想要探索的技術或科學。然后圍繞故事所選擇的技術或科學建立一個環境，并探究這種新的科學或技術可能對故事中的主要元素產生什么影響。最后，評估將技術應用到實際世界中可以學到的經驗教訓，并定義進一步的影響。

這一專著提出了三種情況下的應用量子技術在未來的戰爭來實現。第一個場景是圍繞量子計算構建的。第二種方案涉及量子通信。第三種方案的主要主題是量子探測。每個場景之前都有一個章節，以相關書籍和電影的形式通過科幻小說為場景框架。在作戰環境中討論的全球趨勢和未來戰爭的變化特征，以及本文作者提出的戰爭趨勢和挑戰構成了這些情景的上下文環境。每個場景都以確定的含義結束。這三種情況互為連續性，創造了一個更大的敘事整體，揭示了以下問題的答案:量子技術在未來戰爭中的潛在重要性是什么?

第四章:場景

場景1

限制場景

電腦經常在科幻電影中扮演中心角色。在許多這樣的科幻電影中，情節都是關于一個受人工智能教育的計算機，接管對人類或系統的指揮，用于黑客攻擊，或支持虛擬現實的構建。下面的部分將說明這些概念。

制作于1954年的科幻電影《高格》(Gog)講述了一個故意自我破壞空間站人工智能核操作可變自動計算機(NOVAC)的故事，該計算機控制和協調在一個高度機密的政府設施中建立空間站的所有設備。工廠的員工失去了對NOVAC的控制，因為NOVAC在建設過程中被秘密操縱。這臺被操縱的電腦由兩個機器人控制，并指揮機器人前往核反應堆控制室，引發核爆炸。最后，工廠的員工通過攻擊和壓制機器人來防止災難的發生。

在1970年制作的科幻驚悚片《巨人:福賓計劃》中，一臺旨在控制美國核武庫的計算機“巨人”發現，蘇聯也開發了類似的基于計算機的防御系統。巨像和蘇聯守衛系統連接起來，開始用復雜的數學語言交流。由于美國和蘇聯都無法發現兩臺計算機的通信內容，他們切斷了連接。然而，這兩臺計算機都需要恢復鏈接。當鏈路最終中斷導致兩枚核導彈發射后，鏈路迅速恢復，兩臺計算機繼續運行，沒有任何干擾。經過幾次失敗的嘗試后，美國和蘇聯都中斷了這兩臺電腦，電腦一直負責直到電影結束。

電視劇《黑客先生》和電影《駭客黑帽》(2015)都展示了廣泛的黑客手段，比如使用勒索軟件，入侵智能家居系統和汽車，以及短信欺騙。《機器人先生》主要講述的是一名網絡安全專家利用自己的技能入侵了他本應保護的公司。在其他黑客的幫助下，他成功地刪除了這家跨國公司持有的所有債務數據。電影《黑帽黑客》(Blackhat)展示了對中國核設施和芝加哥貿易交易所(chicagcantile Trade Exchange)進行網絡攻擊的黑客方法。

科幻電影《黑客帝國》三部曲講述了創造人工智能并失去控制的人類之間爭奪能量的故事，以及創造了控制人類的虛擬世界“黑客帝國”的機器人的故事。黑客帝國允許人們在自己的腦袋里下載程序，這樣人們就可以進入一個特定的環境，或者突然擁有了物理上的超能力。

在《頭號玩家》(2018)中，當人們試圖通過進入OASIS虛擬世界(本體論上以人類為中心的感官沉浸式模擬)來逃離他們的反烏托邦環境時，真實世界和虛擬世界的區別變得模糊了。在《綠洲》中，人們可以是每個人，可以做任何事情，比如將自己塑造成游戲中的化身。這些電影激發并啟發了很多想法，導致了下面場景的發展。

劇情:“量子計算機統治”

2040年，由于氣候變化，地球上的平均溫度上升了華氏8度。對第一臺通用量子計算機的軍備競賽已經變成了對液體- M材料的軍備競賽。2030年，中國在月球背面執行太空任務時發現了液體-M。液態超導材料是制造小型可移動量子計算機所需的有效冷卻和穩定量子位元的材料。美國、印度、中國和歐盟擁有一些更大尺寸的量子計算機。關于對一個國家進行大規模量子計算機攻擊的討論，已經發展到與1945-1990年冷戰期間的核威懾討論相同的水平。由于大規模量子計算機攻擊的破壞性預期，擁有通用量子計算機的國家之間有強烈的動機來避免沖突。

到2035年，機器人和人類的互動已經有了巨大的飛躍，成為一種司空見慣的現象并為人們所接受。許多以前由人執行的工作現在由機器人或類人來執行。然而，根據2028年日內瓦協議(GA28)，特定的任務和工作只能由人類執行。在一艘武器化潛艇人工智能機器人跟蹤器(WSAIRTV)在馬六甲海峽擊沉一艘集裝箱船之后，世界各國領導人都強調了GA28的重要性。

在2035年，一家生產量子計算機的主要公司D-Wave systems生產了第一臺可操作的通用量子計算機，它只有一個大手提箱那么大。由于D-Wave在V-cloud中建立了開放存取計劃，因此D-Wave能夠生產第一臺量子計算機。V-cloud是由一群匿名的開發人員發明的，并獲得了巨大的成功。V-cloud的優勢之一是它是一個分布式、開放訪問和分散的平臺。95 V-cloud是第一個成功的“整個生活體驗”解決方案，包括所有智能手機應用、社交媒體、新聞、電影、游戲和V-net。V-cloud也是人們見面的首選場所。

D-Wave年代量子計算機的發明,美國國防部走近D-Wave系統和提供D-Wave系統合同取代大部分的國防部年代高性能計算機(HPC),它是由美國國防部自己的計算機研究和開發部門,在經典計算機無法滿足的需求更多的計算能力。在等待量子計算的突破時，高性能PC被大規模使用，并成為美國陸軍機器人部隊的半自主機器人的重要組成部分。高性能計算機還為綜合戰場指揮和控制系統2.0 (ibc2 -2)帶來了更多的計算能力，允許軍事人員計劃作戰、跟蹤單位位置和預測敵人行動。

在雇員們得知D-Wave公司計劃與國防部簽署一份價值數十億美元的合同后，D-Wave公司一些最有知識的量子工程師開始辭職。他們的主要異議是，盡管GA28禁止使用自主人工智能引導機器人(AAIGR)，但量子計算機將為半自主機器人轉變為用于戰爭的AAIGR開辟道路。

Wave成為V-net的熱門話題，起因是他們量子研究部門的某些文件在一次網絡攻擊中被盜。就在同一周，D-Wave公司的一位頂級量子工程師在訪問中國時被綁架。與此同時，他的V-cloud化身ID實際上被綁架了。在他對美國V- cloud nation的講話中，美國總統的帕特里克愛國者指責中國的網絡攻擊和綁架。中國的反應是限制液體M的出口。

盡管量子威懾存在，而且所有重要國家都簽署了GA28，但量子計算機的使用改變了戰爭的性質。這一點在2038年中國軍事規劃者利用量子計算的力量在中國西南邊境附近的小規模沖突中獲益時變得明顯，而他們的對手仍然依賴于高性能計算機。

在沖突開始之前，中國人知道他們對對手有三個明顯的優勢。第一個優勢是，由于他們的物理和虛擬集成量子指揮所平臺(PVIQCPP)，規劃者能夠顯著地操縱時間。PVIQCPP計劃系統是在2037年開發的，允許計劃者在幾分鐘內向他們的指揮官提出選擇。PVIQCPP已經掌握了所有的數據(如地形、天氣和對手)，并自動分析復雜系統、生成選項、變量、每個選項的風險評估和成功率。由于這是一個基于科學和PVIQCPP AI強化的自動過程，計劃者更多地成為了生成選項和信息的程序員和驗證者。指揮官在計劃過程中的角色也發生了變化。PVIQCPP已經列出了所有可能出現的問題。指揮官所要做的唯一一件事就是填寫下拉菜單和多項選擇表，選擇提出的問題之一，加上他想要應用的創造性百分比，以及他期望用于計算的PVIQCPP的摩擦百分比。

中國的第二個優勢是它已經秘密開發了量子聯合勇士平臺(QJWP)。QJWP是聯合行動復雜性問題的解決方案。QJWP是第一個能夠在陸地、空中和海上進行操作的平臺。此外，通過與PVIQCPP的連接，QJWP可以實時地在整個三維空間內自動協調和消除其行為，而不需要過多的規劃。中國QJWP運營商幾乎完全依賴其平臺提供的數據和可能的決策。然而，在GA28的壓力下，中國仍然對每個QJWP使用人工界面，而它只需要改變一些設置就可以自動運行。

第三個優勢是中國將他們的量子計算機網絡連接到V-cloud上，使中國能夠生成大量關于V-cloud人口的數據。早在2015年，當中國開始向南中國海的珊瑚礁上撒沙子時，中國就找到了一種不同的方式來思考空間和地形。20多年后，中國發展了幾乎相同的方法，創建了一條虛擬九段線，讓對手和競爭對手無法進入特定區域，也無法訪問V-cloud中的人物形象。

場景1的影響

1. 作為量子計算發展的先決條件的資源或條件增加了該特定資源或條件的競爭。

2. 量子計算機將大大促進人工智能的發展。

3. 量子計算機為威懾戰略提供了新的選擇。

4. 量子計算機將能夠在多個維度中自動協調和消除沖突，而不需要過度規劃。

5. 及時討論量子計算在人工智能和機器人技術中的應用，對于界定人類和自主系統在戰爭中的部署邊界是必要的。

6. 量子計算機增加了維度的混雜。

7. 開發用于攻擊性應用的量子計算機可能會引起開發者或商業公司的倫理考慮。

8. 量子計算機將增加對戰爭科學部分的依賴，并將減少指揮官的創造力和作戰藝術的應用。

場景2

限制場景

量子力學的顯著特點為科幻小說制片人提供了廣泛的劇本選擇。時間、空間、瞬間移動、交流以及呈現另一種現實感知的多維度是科幻電影中經常出現的主題。

量子領域是時間和空間運行方式不同的另一個維度，可以遠距離傳送。它在1963年的《神奇四俠16》中被首次提到，當時的故事名為《末日博士的微觀世界》。從那以后，量子領域一直是漫威漫畫和復仇者聯盟電影中的主要量子特征。

電影《蟻人與黃蜂》(2018)表明，暴露在量子領域的能量下，一個人會獲得超能力。這部電影還講述了量子糾纏的特性，這種量子現象允許粒子之間相互連接，即使距離很遠。通過量子糾纏的特性，蟻人仍然可以和他的妻子聯系，盡管她已經消失在量子領域，蟻人可以去把她從量子領域救出來。

量子領域就像矩陣允許旅行到其他維度，因此呈現現實的其他感知。黑洞和蟲洞還允許在空間和時間中遙遠的點或不同宇宙之間的瞬時旅行，例如電影《星際穿越》(2014)。在這部電影中，由于災難、饑荒和干旱，地球變得不適合居住。主角們試圖通過太空中的蟲洞逃離地球，尋找更美好的未來。

《源代碼》(2011)超越了多維度的現象，展示了平行宇宙的存在。主角死于一次直升機失事。然而，他的身體是被人工維持的，他的大腦是在另一個人的身體里被激活的。然后主人公通過旅行到一個平行的世界，認知地回到過去，他可以自由地擾亂這個世界，而不改變在原始現實中發生的情況。

另一種現實的概念在2010年的電影《創:戰紀》中也有所體現。主角傳送到一個存在于電腦上的叫做網格的虛擬世界，并展示了這個完美的世界。然而，負責“網格”的惡意程序試圖影響現實世界，并想阻止主角到達“門戶”，即返回現實世界的門戶。

場景:“全量子方法”

中國西南邊境沖突期間的景象令其他國家感到震驚，尤其是那些數十年來也一直在投資量子技術的國家。事實證明，中國在2018年制定的經過深思熟慮選擇的量子戰略，使中國相對于那些提出的戰略陷入官僚機構困境的國家具有顯著優勢。中國不僅投資開發了通用量子計算機，而且展示了一種完整的量子方法(WQA)。中國已經制定了一個量子結構來支持他們國家力量的所有要素。與中國的7G網絡整合，量子通信被視為最突出的一個。

在2038年，中國仍被視為美國最大的競爭對手。盡管美國《2018年國防戰略》將中國確定為戰略競爭對手，但在隨后的幾年里，美國對中國的技術發展關注較少。自從第一顆量子衛星發射以來，中國一直在建設一個全國性的量子通信網絡。該網絡包括衛星通信、量子光纖地面網絡和到V-cloud的量子安全通信。此外，基于他們所獲得的關于傳送信息的知識，研究人員已經成功地將一個小型無機物傳送了100英里遠。雖然物體的大小和物體內氧氣的百分比仍然是長距離傳送的限制，軍事思想家已經在討論機會。遠程傳送將允許軍隊加快移動和機動的節奏，擴大作戰范圍，并提供靈活的基地。

沖突爆發前的一個重要事件是中國使用了數字反訪問和區域封鎖(D-A2AD)。在之前的沖突中，中國的輿論工作室制造并使用了假新聞，而在這次沖突中，中國在V-cloud中制造了本地數字封鎖，總體上否認了某些演員的信息。這些塑造活動對中國來說并不是很困難。早在2020年，中國就開始在全球各地建立數據中心，由他們管理，或者向中國大陸以外的國家和企業提供低息貸款，以提供此類工作。因此，中國可以影響數據中心的建設，并最終在需要的時候加以利用。在亞洲大陸，中國控制著幾乎所有的計算機能力樞紐，這些數據中心為V-cloud和機器人系統運行所需的所有電子和計算機系統提供帶寬。

盡管美國對中國的WQA一無所知，但是D-Wave在2035年發明的通用量子計算機給了美國一個中國沒有意識到的意想不到的能力。自使用高性能計算機以來，美國一直在收集中國國防部的數據。然而，直到宇宙量子計算機的突破，美國無法解密所有的數據。經過一番努力，美國掌握了中國近50%的加密絕密文件。其中一份文件直接導致了對2038年沖突的預見。另一份后來被發現的文件證實了在存在光子延時機(PTDM)的沖突中出現的謠言。PTDM是一種車載機器，它可以突破光子毯，使中國單位可以延遲光子毯所覆蓋的所有特定區域的時間和運動。

中國率先找到了操縱時間和行動的方法，這一事實令美國的軍事規劃者感到擔憂。在幾次入侵中國量子安全通信網絡的嘗試失敗后，美國不得不尋找另一種方式來匹配技術水平。

場景2的影響

1. 革命性的技術需要納入國家戰略。

2. 技術上至關重要的基礎設施應由我們自己管理。

3. 電力和數據帶寬在戰爭中至關重要。

4. 否認信息將繼續在戰爭中發揮重要作用。

5. 革命性發明的發展(例如傳送、時間和運動操縱器)將首先在小規模的基礎上，并在它們被充分開發之前實現。

6. 操縱時間和運動的能力將對操作產生重大影響。

場景3

場景的限制

軍事科幻小說是電影、電腦游戲和書籍中很有名的一類。大部分的故事是關于人類與機器人或外星人在高度先進的技術武器系統的空間環境中戰斗。而且，戰爭往往是逃離或在反烏托邦世界中生存的必要手段。有時，戰爭以小規模開始，以大規模戰爭或毀滅一個星球告終。

最著名的軍事科幻電影之一是《星球大戰》。幾乎每一部《星球大戰》電影的中心主題都是主角領導的叛軍士兵與黑暗勢力帝國的戰爭。戰爭發生在銀河系的各個行星上。《星球大戰》電影中的主要技術特征是宇宙飛船、人工智能機器人、光劍武器、激光、全息圖和力場。其他著名的軍事科幻電影還有《星艦騎兵》(1997)、《明日邊緣》(2014)以及電視劇《星際迷航》和《太空堡壘卡拉狄加》。

戰爭小說《紅色風暴上升》和《與俄羅斯的戰爭:來自高級軍事指揮官的緊急警告》與上面的例子相似，盡管不是科幻小說，也更現代一些，但都涉及大規模戰爭的主題。這兩部小說還描述了在核武器的門檻下，一個小規模的事件如何激發了與俄羅斯的戰爭。

在對未來技術的預期中，小說《幽靈艦隊:下一個世界大戰的小說》描述了在俄羅斯的支持下，美國和中國之間的第三次世界大戰情景。這部小說描述了美國是如何被一場大規模的網絡攻擊所震驚，這種攻擊摧毀了第五代戰斗機、核潛艇、衛星和通信系統等武器系統。隨后，美國在其領土上受到攻擊。只有在重新激活美國后備艦隊并對商業公司產生強烈的依賴之后，美國才能結束戰爭并恢復原狀。

場景:“全尺寸量子優勢”

當美國的軍事規劃者們正在對中國操縱時間和行動的能力可能帶來的后果做一份清單時，美國的政治領導層發起了第四季度會議。作為預防措施，第四季度會議在阿姆斯特丹的一個物理地點舉行，而不是它通常在V-cloud舉行。大多數量子專家在聽說中國的PTDM時都感到驚訝。盡管如此，他們都敦促加強合作，并在短期內召開新的會議。

中國在2038年沖突中的主要目標之一是測試一些新開發的技術。中國沒有預見到2038年的沖突會結束得這么快。中國還預計一些對手會干涉沖突。在整個沖突過程中，中國已經認識到，國際社會和一些主要國家的決策周期無法與中國在各方面的行動節奏相競爭。然而，中國承認，它并不是在與同行競爭。在沖突后的兩年里，中國特別關注其量子探測軍事能力的進一步發展。2038年的沖突在美國引發了一場有爭議的討論。自2018年以來，美軍長期駐扎在伊拉克和阿富汗，主要專注于鎮壓叛亂(COIN)，此后將訓練重點轉移到大規模作戰行動(LSCO)上。然而，自2032年美國總統帕特里克·愛國者(Patrick Patriot)當選以來，主要受2033年股市崩盤和沒有大規模沖突的推動，美國陸軍的國防預算大幅削減。這和美國陸軍在全球執行能力建設任務的趨勢，使美國LSCO學說面臨壓力。然而，2038年的沖突是促使美國國會提高國防預算并重新關注中國的誘因。

除了兩國之間長期的緊張關系之外，形勢的巧合也引發了中美之間的沖突。首先，中國拒絕美國進入月球背面。因此，美國無法按照他們的條件獲得流動貨幣。其次，美國發現中國擁有V-cloud運行所需的70%的電力。這意味著中國幾乎控制了V-cloud，這對V-cloud的分散和開放訪問特性是一個危險。第三，當中國失去了對QWJP的控制時，QWJP意外地擊沉了兩個美國潛艇平臺(SMP)。

在美中沖突期間，我們看到中國在各個方面都有一些主要優勢。在物理層面(陸地)，美國機器人戰士平臺(RWP)面臨進一步發展的PTDM的影響，現在可以操縱時間和運動近5分鐘實時，讓中國的QWJP在局部機動上勝過美國RWP編隊。此外，采用PTDM技術在中國的QWJP上作了涂層。基于光子層的涂層大大降低了激光和超音速子彈對QWJP裝甲的動能沖擊。雖然常規的衛星GPS信號大部分時間被雙方拒絕，中國單位能夠導航和部署GPS制導武器系統具有極端精度，因為使用了量子探測器GPS能力。此外，中國的量子束雙目望遠鏡(QBB)比美國的版本要先進得多。有了QBB，中國士兵可以在角落里看，還可以透過墻壁、煙霧和無機物看到東西。

在物理維度(sea)上，美國安裝在其大部分SMP上的量子水下雷達可以被視為相當于中國的版本。因此，兩國能夠相互了解對方的水下能力。然而，中國的水下雷達可以配置定位小型物體，如水雷或小型水下無線無線電視。

在物理層面(air)，美國的武器系統，如人工智能機器人群(air)和過時的F-35戰斗機，很容易被中國部署的移動量子雷達站(MQRS)探測到，這是最近為支持中國的綜合防空系統而增加的。

網絡空間，特別是V-cloud，受到了中美兩國的激烈競爭。由于全球大部分人口都在V-cloud中度過他們的時間，V-cloud被認為是贏得一個人的意見和支持最重要的。盡管V- cloud只存在了幾年，但它被視為自41世紀90年代互聯網發明以來最具創新的維度之一。這兩個國家都還在研究如何利用V-cloud來發揮各自的優勢。

除了中國打算在月球的遠端建立一個小型基地之外，太空的規模相對來說仍是沒有爭議的。兩國都部署了多組衛星，以獲得有利的信息位置。中國的星載量子探測器衛星(SQSS)仍在建設中。此外，世界各國領導人成功地說服兩國領導人不要利用空間進行進攻性行動。

盡管取得了小小的成功，但國際社會面臨的下一個挑戰是向這兩個國家施加壓力，以停止這場沖突，更具體地說，說服美國不要使用核武器。一些美國政界人士曾表現出強烈的言辭，支持使用核武器或使用量子計算機進行全面攻擊，以結束這場沖突。

場景3的影響

1. 擁有量子技術潛力的軍隊將比不具備這種能力的對手擁有顯著優勢。

2. 量子探測器將改變戰爭的戰術和作戰水平。

3. 量子探測器可以讓隱形能力過時。

4. 在空間維度上部署量子探測器可以增強數據收集，并為量子衛星導彈防御系統提供機會。

5. 量子技術突破的發展需要全球密切監控，以防止對手(國家或組織)的突然襲擊。

第五章:結論

未來將會發生!我們所面臨的選擇是，我們是將引領我們走向它，還是在未來的某個時刻被它所震驚。

-約翰·m·默里將軍，推特軍隊未來司令部司令

量子力學知識和專業知識的演變及其在量子計算、量子通信和量子探測等量子技術上的應用，已經挑戰了日常現實的感知。量子技術所能提供的可能性被完全理解，這不會在一夜之間發生。盡管量子技術仍處于起步階段，但它是一種新興技術，有可能重塑世界，引發新的軍備競賽。美國和中國都認識到量子技術在軍事應用中的重要性。量子計算機、量子通信和量子探測器將極大地改變戰爭的性質。

本文的目的是調查量子技術在未來戰爭中的潛在重要性。本文簡要地討論了量子力學。進一步分析了量子計算、量子通信和量子探測。最后，本研究提出了量子技術軍事應用的三種實現方案。

對量子技術的分析顯示出量子計算機發展的多樣性。宇宙量子計算機是終極量子計算機。通用量子計算機能更快地解決問題，并能同時執行困難的數學計算。此外，量子計算機還能破解密碼，極大地促進人工智能的發展。量子通信允許安全通信，甚至在遙遠的距離和整個維度。基于量子糾纏原理，甚至可以實現材料的隱形傳態。量子探測器允許更精確的導航、定位和計時。此外，量子探測器打破了傳統的雷達和隱身模式。

當我們充分利用量子技術時，這些場景可以讓我們窺見未來戰爭的面貌。在戰爭的戰術層面，量子技術將集成到軍事裝備中，如個人裝備、武器(系統)、車輛和平臺(如無人機和機器人)。在戰爭的作戰層面，量子技術影響著所有維度的作戰。量子技術促進了數據的收集和分析，并固定了觀察方向決定行為(OODA)循環(例如量子計算機和人工智能)。隨著時間的推移，量子技術將改變現有的組織和使用軍事力量的模式，因為時間和運動將是可塑的(例如，隱形傳態)。在戰爭的戰略層面，量子技術為威懾和混合戰爭(例如(聯合國)常規戰爭與網絡戰的結合)提供了新的選擇。在政策層面，整體的量子方法有利于量子技術的進一步發展，并將其融入到國家力量的各個要素中。此外，量子技術的武器化需要討論自主武器系統的倫理困境和人工智能指導下的人類決策問題。軍事領導人應該擁抱量子技術為未來軍事應用提供的機會。然而，首先需要了解這種新技術的可能性，并將其納入教育、培訓和未來部隊發展中。