转自：专知人工智能
引言
量子技术（QT）的基础是量子力学，这是一门有一百多年的学科。量子力学的第一批应用，被称为量子革命1.0，包括核裂变、激光、半导体等，其中量子行为的统计方面得到了利用。第一次量子革命曾经并仍然对社会的各个方面产生着深刻的影响，从军事和国际安全到原子武器、芯片、计算机和精确导航的发展。
现在，我们正在进入量子革命2.0，即QT，在已知物理的极限下，我们正在探索量子物理的全范围，即所谓的“奇怪”定律。在量子革命2.0中，我们利用单个量子系统的行为，如电子、原子、原子核、分子、准粒子等。QT不会引入根本性的新武器，就像发生在核武器和激光武器上的那样，而是改进和锐化目前的传感、通信和计算能力。虽然QT的大部分方面仍处于基础研究而非应用研究的形式，但我们可以预见几个高度相关的国防应用。
QT是先进国家长期国防规划的前沿，包括美国、中国、英国、澳大利亚、印度、俄罗斯、加拿大等。2021年2月，北约国防部长批准了新兴和颠覆性技术（EDT）战略，以促进开发和采用两用技术的连贯性，量子化技术是该战略所提倡的九个技术领域之一。
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图：量子战争概念——使用各种基于量子技术的系统。
其他国际行为者正在积极地追求QT。例如，中国已经认识到QT的战略价值和潜在的决定性优势，而欧盟已经将QT标记为 "具有全球战略意义的新兴技术"，并指出它将被用于 "安全领域的敏感应用和双重用途的应用"。因此，很明显，QT将在世界各国的国防战略中发挥重要作用。
北约组织、机构和成员国正在积极研究QT，无论是理论上还是实验上，以应对固有的关键技术挑战。在2021年的北约峰会上，盟国领导人启动了北大西洋防务创新加速器（DIANA），其中一个分支专门研究QTs。重要的是，QT是北约ACT研究中感兴趣的一个主题。此外，北约科学和技术组织的研究 "2020-2040年科技趋势 "审查了北约QT的基础和期望，而北约国家军备主任会议讨论了QT的实施计划。
在此必须强调的是，大多数QT目前处于低技术准备水平（TRL），因此，很难准确预测实际性能、能力、所有可能的应用和时间表。这被称为 "科林格里奇困境"，适用于 "a）在技术被广泛开发和广泛使用之前，影响不容易被预测；b）当技术变得根深蒂固时，控制或改变很困难"。在本文中，我们旨在通过简要介绍QT的关键要素、它们的基本应用、在航空和航天领域的潜在效用，建立对QT的认识，并为实地QT设定现实的期望。
关键元素
为什么QT如此有趣和重要？从理论上讲，利用基本的量子物理学原理，可以使计算速度呈指数级增长，传感器的灵敏度有惊人的提高，以及前所未有的安全通信。总的来说，这些领域是由量子信息科学学科涵盖的。在我们考虑个别QT之前，我们必须了解一些基本原理。我们将进一步研究的对QT革命至关重要的特征是量子比特、量子叠加、量子纠缠、不可克隆原理和量子隧道。
量子比特，qubit，是经典信息比特的量子类比。经典比特只能有0或1的值，而量子比特是由一个量子状态描述的。量子叠加意味着一个量子位可以同时代表两种状态。这种行为对计算能力的提高有重要意义。用N个量子比特，我们可以代表2N个状态（即代表的状态数量随着量子比特的数量呈指数级增长）。请注意，当量子测量在一个量子算法的最后应用时，整个叠加只坍缩成一个状态。因此，我们必须多次运行一个算法，根据各个状态的统计分布得出结论。通过多次重复，我们可以达到指数级的速度。然而，这种计算能力的提高需要开发新的量子算法，并背离传统计算。还有许多技术上的复杂问题，挑战我们完成大规模量子计算的能力。
不可克隆原理指出，一个量子比特（或一般的任意量子状态）的量子数据不能被复制或克隆。一方面，由于需要更复杂的量子纠错，这对增加量子计算机的复杂性有重大影响。量子错误被间接地纠正，因为如上所述，对一个实际状态的测量将导致其被破坏。另一方面，它为不能被窃听的安全提供了前所未有的应用。入侵者的干扰将需要量子测量，这将导致量子塌陷到一个状态。这样的情况可以通过比较发送方和接收方的测量结果而轻易发现。
量子纠缠是另一个关键概念，指的是两个或多个量子比特之间的强关联，这种关联没有经典的类比。简而言之，对其中一个纠缠的量子比特进行任何量子操作，都会对其他相连的量子比特产生即时影响，而不考虑它们之间的距离或障碍。因此，量子纠缠是大多数QT的基本特征，使它们能够达到由海森堡不确定性原理定义的当前物理学的基本极限，也是许多量子算法的关键因素。
一般来说，量子比特和量子传感系统可以利用不同的量子物理特性来实现，如超导电子学中的电流流，偏振或光子的数量，或电子、原子核或分子的自旋或能量状态。所有这些量子系统都是非常脆弱的，许多系统只有在接近绝对零度（约-273℃）的温度下才能被操纵。因此，上述的量子特性不能直接应用于武器，因为即使是最轻微的干扰也会导致量子信息或量子传感器的敏感性丧失。有了对基础科学的这种基本认识，让我们考虑潜在的应用。
基本应用
为了正确理解潜在的好处，我们将把QT分为三类：量子计算，量子网络和通信，以及量子传感和成像。
量子计算代表了通用的可编程量子计算机，量子退火器（一种不完美的绝热计算），以及量子模拟器，它们可以提供比经典计算机更多的计算优势。然而，尽管人们普遍误认为处理速度的指数级增长会影响并接管所有经典计算机的任务和应用，但量子计算机只在某些高度复杂和具有挑战性的计算问题上才会有效。这类问题的例子有：量子模拟（化学和药物研究的分子模拟，新材料开发等），量子密码分析（破解大多数非对称加密方案，通常用于加密电子邮件，语音和视频通话，数据传输，以及远程访问内部网络），更快的搜索，更快地解决线性或微分方程，量子优化（如供应链优化，物流，投资组合，或定制药物），以及量子增强的机器学习。目前，量子计算用于实际部署至少还有十年时间，不会取代经典计算机。
图：量子技术在网络中的应用。
图：量子技术在C4ISR中的应用。
量子网络和通信旨在通过各种渠道传输量子信息（qubits），如光纤线路或自由空间通信。第一代量子网络中唯一的实际用途是量子密钥分发（QKD）。与传统的非对称加密（也称为公钥密码学）相比，QKD的一个重要优势是任何拦截或窃听的企图都会立即被发现。QKD在商业上可用于光纤，许多商业自由空间的QKD服务将在未来两到五年内推出。请注意，QKD经常被描述为不可破解的。然而，这只适用于正确实施的量子信息传输；由经典计算机控制的端点仍将是进攻性网络行动的目标。
空中和太空中的QT
与过去的其他技术一样，国防应用再次成为QT领域研究和发展的主要动力，特别是在美国和中国。虽然这种研究的大部分往往是保密的，但有几个概述和路线图，概述了空中和太空领域的潜在用例和想法。这些文件提供了对QT令人振奋的可能性的一瞥，以及它彻底改变国防工业的潜力。
尽管QT有很好的潜力和真正的转型愿望，但由于它的复杂性，非专业人员对它的理解仍然很差，其重要性往往被夸大和夸张。目前，由于大多处于实验室阶段，TRLs较低，使得对未来的效用、能力或它在未来将发挥的作用的现实估计变得复杂。
在这里，我们将介绍讨论最多的想法和在航空和航天领域的可能使用案例。
图：太空中的量子应用。
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