从俄乌冲突背景下军事量子技术展望未来战争中量子技术应用2023.docx

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1、从俄乌冲突背景下军事量子技术展望未来战争中量子技术应用2023目录摘要11 .弓I言22 .量子技术的军事应用22.1.量子网络32.2.量子通信网络32.3.量子电子战52. 4.量子定位、导航和授时63. 5.量子计算73.量子1O技术在俄乌冲突中的应用84. 1.激光技术83.1.1.技术简介：83.1.2.举例：俄乌冲突中的自由空间激光通信83.2.半导体技术123.2.1.技术简介：123.2.2.举例：俄乌冲突中的高精度数字成像133.3.原子钟143. 3.1.技术简介：144. 3.2.举例：俄乌冲突中的全球定位系统154.量子2.0在未来战场上的应用174. 1.量子传感19

2、4. 1.1.量子射频探测195. 1.2.量子鬼成像204. 1.3.量子雷达214. 1.4.量子磁力测量224. 1.5.量子陀螺仪234. 2.量子通信235. 3.量子计算256. 结论与展望27摘要目前俄乌冲突中除了局势多变的战况外，俄乌双方各式军事科技在战场上的应用同样引发了外界的热议。其中表现突出的激光通信、高空卫星侦察等高新技术都属于量子技术领域。量子技术是基于量子力学原理的技术，根据其特征可以划分为1.0和2.0两个阶段：量子1.0技术的特征是对自然界中本身存在的量子体系加以利用；而量子2.0技术的特征是根据实际需求主动制备合适的量子态并进行工程化应用。如今科学界和工程界将

3、量子技术的发展时期划分为量子1.0时代和量子2.0时代。在现代战争中，量子1.0技术已经有了广泛的应用，如激光、半导体、原子钟等在探测、通信、定位导航以及其他军事应用方面都发挥着举足轻重的作用。而目前正在兴起的量子2.0技术在军事应用上也展现其潜力，如量子传感、量子通信和量子计算。本文以量子技术在俄乌冲突的应用为例，详细介绍目前量子1.0技术以及未来量子2.0技术在军事领域的应用情况。关键词：量子技术，军事技术，量子计算1 .引言量子技术是一门无法用经典物理学解释的科学技术，通常量子技术的原理是对应一个或多个量子力学原理。与经典力学框架内的传统技术不同的是，量子技术允许我们组织和控制由量子力学

4、支配的微观复杂系统。由于量子技术更加接近物理定律的本质，因此它往往能在更小的尺度上实现比经典技术更强的性能。到20世纪90年代末，量子技术逐步开始从1.0时代发展到2.0时代。量子2.0技术是在量子力学的体系中根据我们需要的功能设计并制造出天然不存在的量子体系，比如人造高能量量子状态的原子一一里德堡原子、处于纠缠态的光子对、处于叠加态和纠缠态的量子比特等等。这种人造量子系统可以应用于量子传感、量子通信、量子计算等新兴领域。它们不仅能提供优于量子1O的技术，还能提供诸如绝对安全的通信、量子并行计算以及其他新功能，而这些功能在军事上具有广泛的应用前景。本文在第2章会回顾过去量子1.0技术的发展并以

5、俄乌冲突为例分析它们在现代战争中所起到的重要作用。之后在第3章中会介绍几个重要的量子2.0技术并预想其未来在战场上应用的方式。最后我们总结了量子技术的发展并给出未来发展方向的展望和建议。2 .量子技术的军事应用量子技术有可能显著影响人类活动的许多领域，包括国防领域。量子技术往往会对现代战争的所有领域产生影响。量子技术可应用于战场上的多个方面。由于篇幅所限，下面主要介绍了量子网络安全、量子通信网络、量子电子战、量子PNT以及量子计算方面的可能军事应用。2.1.量子网络安全网络战中利用量子技术可以针对当前非对称加密(基于整数因子分解、离散对数或椭圆曲线离散对数问题)以及理论上对对称加密提供新的、非

6、常有效(速度呈指数级增长)的攻击向量，而另一方面也可以利用量子技术提出新的量子韧性加密算法和方法，以及量子密钥分发方法。(1)量子防御能力敌方有可能收集加密情报数据并期望未来利用量子计算机的强大能力进行解密，这一风险是真实存在且非常现实的。为了抵抗未来的量子计算攻击，后量子密码技术将是一种可行的选择。后量子密码技术(有时被称为防量子的、量子安全或抵御量子的密码术)就代表了可抵抗未来量子计算机攻击的一个加密技术领域。这适用于军事、情报和政府部门，以及交换或存储秘密数据的行业或学术界。并且，新的量子韧性算法不仅可以提供一种连量子计算机也很难应对的新的数学方法，而且还可以提供一种处理加密数据的新范式

7、。例如，完全同态加密(FHE)使数据永远不会被解密，即使它们正在被处理。尽管医疗记录或金融信息等方面的安全应用是目前提及较多的应用，但明显也能用于情报、军事或政府应用。此外，应该在物联网或军事物联网(I。MT)中实现后量子密码技术，因为这一行业存在许多潜在安全漏洞。量子密钥分发(QKD)是实现安全加密密钥交换的另一新方法，其安全性已经过数学验证。尽管量子数据(密钥)的量子载体不可能被窃听，但由于硬件或软件实现不完善，端节点和可信中继器处会出现漏洞。QKD解决方案似乎更受欧盟青睐，而后量子加密解决方案在美国受到青睐。此外，实现量子防御能力还可利用量子随机数发生器(QRNG),它能增加安全性并拒绝

8、伪随机数发生器的攻击。(2)量子攻击能力利用基于秀尔算法的公钥加密量子密码分析(PKE),如Rivest-Shamir-Ad1eman(RSA)DiffieHe11man(DH)椭圆曲线加密算法(EeC),攻击者可以对之前收集的加密数据进行解密。利用西蒙算法和叠加查询，类似的威胁也可攻击大多数消息认证码(MAC)和有关联数据的认证加密，如HMAC-CBCAESGCMo另一种攻击方式是使用经典计算机的经典黑客方法。总的来说，量子技术是一个技术上还很年轻的领域，大量新的量子系统控制软件正在开发中。新的软件和硬件往往有更多的错误和安全漏洞。例如，当前的QKD量子卫星作为由经典计算机控制的可信中继器会

9、成为网络攻击的理想目标。此外，针对量子网络(例如QKD)的特定物理攻击也是需要积极研究的主题，例如光子数分裂或特洛伊木马攻击。2.2.量子通信网络量子互联网包括有各种服务的量子网络，有重大安全意义。但许多先进的量子通信网络应用需要利用量子纠缠，即需要量子中继器和量子交换机。未来这种光纤和自由空间信道的组合将互连各种终端节点，如无人机、飞机、船只、车辆、士兵、指挥中心等。(1)安全应用量子密钥分发是最成熟的量子网络应用之一。这项技术将在以后引入国防领域，届时使用MDIQKD(与测量设备无关的量子密钥分发)或量子中继器的远程通信将成为可能。目前，有使用可信中继器的基本商业技术可用。它们可以作为如何

10、使用量子技术的模型。一方面QKD作为顶级安全技术进行推广，已有越来越多的用例出现，尤其是在金融或医疗领域。但另一方面，许多咨询报告和权力机构则更为谨慎，例如，英国国家网络安全中心在当前状态下不支持QKD用作任何政府或军事用途。除了只分发密钥的QKD,量子网络也可用于太空、特种部队、空军、海军和陆军资产之间的量子安全直接通信(QSDC)。此时，用量子数据加密的直接消息可利用类似于QKD的安全性。但存在的问题是量子比特速率低，只允许发送简单消息，而不能发送音视频和复杂遥测数据。这种情况下，网络可切换到QKD协议来分发密钥，加密数据则通过经典信道分发。量子方法在安全方面的另一重要应用是量子数字签名(

11、QDS)。它是经典数字签名的量子力学对应物。QDS能在发送方对消息进行签名后防止篡改消息。此外，量子安全识别利用量子特征，可在不展示认证证书的情况下进行识别。而非量子识别基于登录和密码或密钥交换，使得入侵者至少可以猜测谁试图进行身份验证。基于位置的量子密码技术是另一种安全应用。基于位置的量子密码技术可以提供更安全的通信，其中所访问信息只能从特定地理位置获得，例如只能从特定军事基地与军事卫星通信。当一方的地理位置是其唯一证书时，基于位置的量子密码也可提供安全通信。(2)技术应用量子网络还可执行网络时钟同步，这已经是经典数字网络的一个主要主题。时钟同步旨在协调各独立时钟，尤其是协调原子钟(如在全球

12、定位系统中)和本地数字时钟(如在数字计算机中)。使用量子纠缠的量子网络将实现更精确同步，尤其是在使用量子时钟时。精确时钟同步对于C4ISR(指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察)系统之间的协作至关重要，可实现雷达、电子战、指挥中心、武器系统等各种数据和行动的精确同步。利用量子网络进行分布式量子计算，对拥有量子计算机的军方和政府构建高性能量子计算服务或量子云非常重要。分布式计算协议量子协议可用于无人机蜂群或一群自主载具(AV)等军事应用中。此时，量子协议可以帮助所有自主载具在同一时间尺度上达成一致，而与它们的数量无关。然而，所有快速移动自主载具间的开放空间量子通信将是一个必须首先解决的挑战

13、。最近，无人机量子纠缠分发已成功进行了第一次实验演示。2.3.量子电子战量子电子战可分为量子增强经典电子战和侧重于量子信道对抗、反对抗和支援的量子电子战。量子信道是指为量子互联网、量子雷达或其他使用自由空间或光纤通道的量子系统传输携带量子信息的光子的信道。用于电子支援措施的经典电子战系统可受益于量子天线。基于里德堡原子的量子天线可实现与被测信号波长（频率）无关的小尺寸特性。这意味着，几微米的量子天线就足以截获低频信号（MHZ到kHz）o还可采用量子天线阵列用于不同带宽的多频测量，或一部天线根据需求动态改变带宽。此外，基于里德堡原子的天线可以测量调幅和调频信号，提供自校准，测量弱场和超强场或检测

14、到达角。未来，量子天线可能看起来像里德堡原子池阵列（矩阵）。其中不同的原子池可以测量不同信号，两个或多个原子池联合测量可以确定信号到达角。但最困难的问题是将里德堡原子使其缩小到可接受尺寸所需的低温。经典电子战也可以从量子计算中受益，能改进射频频谱分析仪，应用量子优化和量子机器学习/人工智能技术提升电子战能力。直接处理和分析来自射频量子传感器的量子数据可以实现更高效能。此外，研究机构也正开发其他量子解决方案和方法，例如基于NV（氮空位）中心的射频频谱分析。当前的电子战系统也将受益于量子授时。量子授时可以增强信号情报、反DRFM（数字射频存储器）和其他需要精确授时的电子战系统能力，例如反雷达干扰能

15、力。量子电子战还包括信号情报和通信情报（探测、截获、识别、定位）以及量子电子攻击（干扰、欺骗）。量子信道（用于量子通信或量子成像）具有特有状态。首先，在量子信道中，简单信号截获是有问题的，因为量子数据是由单个量子携带，对其进行截获很容易被检测到。其次，典型的量子成像技术使用低信噪比，这意味着在没有额外信息的情况下很难识别信号和噪声。第三，通常用作信号的相干光子其表现像非常聚焦的激光。在不知道一方位置的情况下找到这样的量子信号非常有挑战性。这些特性使得经典电子战不再适宜，因为它“看不到”量子信道。这一特点甚至对量子电子战系统来说也很难应对，因为它能否探测量子（自由空间）信道的存在也值得怀疑。这将

16、要求开发量子模拟激光告警接收机。对于量子电子战，了解利用量子信道的一方或双方的位置情报至关重要。经典电子战会截获和窃听信道。然而，对于量子信道来说，它不可能被快速检测。由于早期量子网络的各方可能在身份验证或可信中继器方面存在问题，对量子信道的一种可能攻击是中间人攻击。也可能是其他类型的量子物理层面攻击。例如，针对量子信道利用相干激光脉冲的光子数分裂攻击或特洛伊木马攻击。然而，这些类型的攻击非常复杂，其实用性(如在太空中)还不确定。量子电子战攻击更有可能只是一种拒绝服务攻击，即截获量子信道，导致信道停止使用。另一种可能是对一侧或两侧接收机进行复杂干扰，导致巨大噪声。总的来说，需要开发新方法和手段来满足量子电子战能力需求。2.4.量子定位、导