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“量子风云”：最新报告揭秘下一代国防科技

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发布时间：2024-04-23

 

 

4月12日，美国海军研究实验室（NRL）在庆祝其成立100周年之际，发布了《未来25年的25项技术（2023—2048年）》报告。

 

 
这份报告共计列出了NRL正在开发的10个领域的25项技术，包括：
 
1）电磁战：雷达和电子战的创新；
 
2）水下战：声纳和自主水下载具的进展；
 
3）通信与网络战：量子计算、硅光子学和安全通信的发展；
 
硅光子技术将光线直接照射到为计算机和国防技术提供动力的半导体芯片上。这些光子集成电路有望彻底改变计算以及国防部的特定应用，如量子传感、生物和化学分析以及高频雷达信号处理。在微电子处理中引入新的光子材料和开发改进的光子封装仍然是硅光子学面临的主要障碍。通过在国防部赞助的AIM光子研究所国内最先进的代工厂中发挥领导作用，NRL及其国防部合作伙伴已经并将继续领导专门针对国防部应用的光子集成电路的开发
 
海军研究实验室正在开发新的传感器架构，用于测量加速度、旋转、重力和磁场，以实现长时间无 GPS 导航。目前在原子物理学、量子光学和材料合成方面开展的工作，使人们对激光冷却原子和半导体色心有了基本的了解。这为根据量子叠加和纠缠原理设计和制造传感器结构奠定了基础。这些传感器技术的成熟将使海军具备先进的计时、通信、导航、监视和侦察能力
 
4）太空技术：卫星服务和太空导航系统的进步；
 
5）支持性科学与技术：包括物理信息机器学习、下一代电池、超宽带隙半导体、量子计算和微波功率束射等技术；
 
信息处理无处不在，对美国国防部至关重要，计算能力的任何优势都会带来军事优势。量子计算是一项新兴技术，可以帮助我们解决最具挑战性的数字问题。量子计算的基本单位是量子比特，其状态可以是经典比特状态0或1，也可以是两者的任何线性组合--叠加。将量子比特组合到寄存器中，量子计算机就能处理指数级的经典状态叠加，而在经典计算机上，处理这些叠加状态需要耗费大量的时间和资源
 
6）可负担性与可持续性：神经形态计算、生物制造和从海水中提取操作燃料等；
 
7）空间研究：卫星的机器人服务、高超声速系统和使用X射线脉冲星进行空间导航；
 
8）自主系统：无人系统和AI平台的增强；
 
9）定向能：高功率激光和能量武器的研究；
 
10）人员保护：防护装备和健康监测系统的改进。
 
此报告挑选了实验室认为当前最具前景且最具远见的一些领域技术，有效地概述了NRL的历史成就，并为未来的技术革新制定了清晰的路线图。这些技术创新对于维护和增强海军能力及国家安全至关重要。
 
其中，量子技术作为报告中的重点之一，其战略重要性不容忽视。量子计算、量子传感和量子通信等技术，有望彻底改变信息处理、导航定位以及通信的方式，提升作战效率和精确性。NRL的研究不仅致力于量子技术的基础理论研究，同时也在探索如何将这些理论应用于实际的军事操作中，以确保在未来信息化战争中美国海军能够保持技术优势。
 
通过实施这些前沿科技项目，NRL展示了其持续推动科技创新的决心和能力，确保美国海军在全球范围内的战略优势。同时，这些技术的发展和应用也将进一步促进与政府、学术界和工业界的合作，推动整个国防科技生态系统的进步。
 
 
在未来十年内，量子技术预计将彻底改变我们解决复杂问题的方法，并开启传感、计时、成像和通信领域的新机遇。正如《英国国家量子战略》所强调的，这些技术进步在国防方面带来了重大挑战，同时也提供了加强数字能力保护和保障的手段。
 
4月18日，在IBM与英国皇家空军数字公司联合举办的“首届国防量子计算展览会”上，超过100名来自国防、学术界和工业界的代表齐聚一堂。他们深入了解量子计算的最新发展，并就未来的行动方向进行了讨论。
 
 
虽然量子计算的理论研究始于20世纪80年代和90年代，但近年来随着行业的多个突破，量子计算已经开始从实验室转向国防和商业应用。在国防领域，量子计算机被视为对密码学、通信、优化和模拟任务产生颠覆性影响的关键技术。此外，抗量子密码学的发展已成为维护国防通信安全的一个核心领域，英国国家量子战略亦期望将英国打造为这一领域的全球领导者。
 
会议上，国防科技部的Rachel Maze概述了英国国家量子战略的十年愿景，即到2033年将英国建设成为全球领先的量子经济大国。国家量子计算中心的Geoff Barnes介绍了他们在开发中型全栈量子计算机原型方面的令人兴奋的进展。此外，汇丰银行的Phillip Intallura博士分享了汇丰如何利用量子计算增强网络抗灾能力，牛津大学量子计算与模拟中心的Dominic O'Brien也展示了该中心如何成为一个拥有众多学术和工业合作伙伴的充满活力的网络。
 
这场互动式研讨会深入探讨了国防领域的量子计算用例、量子计算机编程、量子计算人才队伍建设及国防领域的量子安全等主题。
 
另外，鉴于量子科技的进一步发展和潜在的国防安全担忧，英国副首相Oliver Dowden最近宣布对英国企业的出口和海外投资进行新一轮审查，以防止资本流向可能增强对手军事能力的国家。这包括对从事量子计算低温设备交易的企业进行更严格的审查，以及对涉及半导体、关键矿物和人工智能的交易施加更严格的控制。
 
 
在查塔姆大厦的演讲中，Dowden指出：“低温技术原本仅用于研究目的，但随着量子计算的兴起，它已成为这一领域的关键组成部分。”
 
他强调了在创新前沿，需要警惕技术出口可能给对手带来的潜在军事优势。他表示，将开始有关敏感技术新定义的磋商，这将是英国贸易政策转型的最新动作，确保不允许关键技术无节制地流向潜在的对手。
 
 
毫无疑问，随着全球地缘政治紧张局势的加剧，各国对国防现代化与技术创新的投资日益增加。人工智能、生物技术、自主平台、材料科学以及量子计算等技术已被多个国家认定为关键的颠覆性技术。
 
然而，与大多数其他新兴技术市场不同，量子计算的技术成熟度较低，这限制了其在军事领域的直接应用，从而相对阻碍了该技术的快速发展。尽管如此，随着高超音速武器和低成本无人机等军民技术的发展，过去认为先进技术只能由某些国家独占的观点已经不复存在。北约联盟的领导人已开始探索量子计算领域的潜力，以增强联盟在传感、加密、数据管理、模拟与建模以及自动化等领域的能力，从而重获并保持技术优势。
 
 
2024年1月，北约发布了其历史上第一份量子技术战略文件，该文件详细描述了北约通过在国内和联盟层面进行持续的投资，促进集体研发，旨在将北约打造成一个“量子就绪联盟”的雄心。
 
战略文件概述的目标包括：界定军民两用技术的应用范围、制定相关标准和政策框架、建立跨大西洋的量子社区、确保供应链不受外国竞争者的干扰，以及帮助联盟成员过渡到量子安全的加密技术。
 
这些努力将得到北美国防创新加速器（DIANA）及北约投资基金（NIF）的支持，这两个机构的运作将帮助联盟从战略和产业政策的角度塑造其量子技术生态系统。
 
 
在2023年末，北约在丹麦哥本哈根成立了“硬科技实验室-量子”（Deep Tech Lab – Quantum），这标志着对DIANA的支持及对其量子技术战略承诺的具体体现。选择丹麦作为该设施的地点，很可能是因为丹麦政府在量子技术领域展现出积极主动的姿态，丹麦已发布自己的量子技术国家战略，并在2024-2027年间拨款1.61亿欧元（约1.71亿美元）支持国内量子生态系统的发展。
 
丹麦战略中还包括其他倡议，如设立量子基金以资助创新活动，以及加强安全基础设施以应对潜在的量子威胁，这些都让丹麦市场对创业公司和投资者极具吸引力。
 
英国的风险投资公司Quantum Exponential于2023年底在丹麦设立了办事处，而丹麦量子社区（DQC）也在持续扩展，新的初创企业、投资者和终端用户纷纷寻求与丹麦的量子生态系统建立联系。
 
北约的“硬科技实验室-量子”通过便捷地接入这些工业和学术网络，将更有效地探索新应用，并在这些应用出现时快速整合相关技术，以保持北约在全球的竞争优势。
 
此外，L3Harris Technologies公司在2023年12月宣布与Infleqtion公司合作，专注于开发用于军事应用的量子射频传感技术。在C5ISR NetModX23能力展示日，Infleqtion已向美国陆军官员展示了其SqyWire解决方案。
 
如无意外，北约成员国看似完全有能力在未来十年内实现联盟的量子战略愿景。
 
 
虽然欧洲国家正在扩大其对量子技术的投资，美国仍然是该市场的最大投资者。美国政府的主要资助举措，如2018年“国家量子投资法案”和国防部最近为其2024年“量子过渡加速”（QTA）项目拨款7500万美元，都在激励着私人部门的投资持续增长。
 
全球国防部门前景依然强劲，根据德勤最新发布的报告，2022年国防支出超过2.24万亿美元。美国国防部为2024财年申请了8,420亿美元的预算，比2023财年的基准预算增长了3.2%。
 
 
2024年，军费开支的增长预计将通过采用商业技术于国防应用，并最大化利用私人资本于新兴国防技术和制造中，来推动创新和数字基础设施的发展。
 
美国国防部在2024财年的预算请求中，包括为人工智能应用拨款约18亿美元（较前一财年增长63.6%）、为先进技术拨款93亿美元，以及为联合作战先进技术实验和评估拨款6.9亿美元。
 
技术资金的大部分预计将集中用于增强能力和改善战备状态。为此，美国正在集中投资采购下一代空中、地面和海军车辆，并对现有车辆进行现代化改造，以帮助满足国防需求。此外，美国国防部还致力于投资国防供应链的弹性，以帮助确保工业基地的稳定性并满足未来需求。国防部还投资于多项技术计划，如微电子技术、先进推进技术、量子技术和先进计算技术。
 
为应对全球技术进步，美国国防部正在资助一系列实体进行研发。国防部已建立了多种机制，使私营部门（特别是小型企业和初创企业）以及学术界能参与其中，以促进创新并加速新兴技术的整合。这些机制包括国防创新单位（DIU）、加速创新技术采购和实战计划（APFIT）、国家安全创新网络（NSIN）和AFWERX等。
 
随着太空能力需求的增长，美国在太空领域的支出也在增加。根据太空基金会的数据，2022年政府在太空项目上的总支出增加了8%，其中美国约占60%。美国太空部队（USSF）已为2024财年申请301亿美元资金，比2023财年增加了15%。此外，NASA也为2024财年申请了271亿美元预算，比2023财年增加了7%，主要用于继续研究国际空间站（ISS）和空间探索，以创造科学和经济机会。
 
尽管国防开支有所增加，通货膨胀的持续上升可能成为国防当局的一大担忧。按实际价值计算，国防开支的实际增长并不显著：国防预算同比增长3.18%，远低于当前6%的通胀率。预计到2033年，这一比例将进一步下降至2.8%。
 
近年来，美国武装部队的所有分支都在积极开展量子技术项目，与IBM、SandboxAQ、BAE系统公司和洛克希德-马丁公司等国内专家合作，探索新兴量子技术的具体服务应用。同时，美国政府对量子领域的信心不断增强，促使私营部门进一步合作，将量子技术从理论带入商业实践。
 
展望未来，德勤的研究团队认为，国防和商业市场需求的增长将在2024年为产业带来更强劲的资金支持。
 
 
根据GlobalData公司的报告《航空航天、国防和安全领域的量子计算——专题情报》，五角大楼、中国和北约是量子技术领域的主要军事投资者。
 
量子技术正越来越多地用于计算军事数据和探测敌方潜艇
 
量子科技在国防中主要应用于三个方面：量子计算（处理大量数据的速度和准确性超过传统计算机）、量子传感（探测敌方潜艇或水雷）、以及量子通信（提供安全的防窃听通信渠道）。
 
美国得益于与微软、IBM、英特尔等科技巨头的紧密合作，在开发量子技术的军事应用方面占据关键优势。
 
2022年，拜登总统签署了《芯片与科学法案》，其中授权对核心量子研究项目进行新的投资。此外，美国军方宣布了一个包含30亿美元的联邦量子项目，以及一个12亿美元的国家量子计划。五角大楼的所谓“黑色预算”（black budget）预计将进一步资助量子计算项目。
 
在《芯片与科学法案》中，美国明确表示了“对抗中国”的意图——这绝非易事。
 
未来五年，中国计划投入超过150亿美元用于量子计算，并通过一个耗资100亿美元的国家量子实验室集聚全国的专业知识。尽管中国政府对其量子投资的细节保密，报告补充说，但“不时发布的信息显示了中国在量子计算领域的强势地位”。
 
尽管落后于美国和中国，欧盟的量子技术旗舰计划预计在未来十年提供12亿美元的资助。德国和法国这两个欧洲最大的经济体拥有最全面的国家战略，例如德国在2023年5月宣布投资30亿美元用于量子技术的发展。尽管荷兰、芬兰、西班牙和奥地利的初创企业也做出了显著的贡献，但这些投资额仍无法与德法相比。
 
2021年2月，北约国防部长批准了涵盖量子技术在内的“新兴和颠覆性技术（EDT）战略”，其为北约的北大西洋防务创新加速器（DIANA）提供了特别的动力。DIANA已经将量子水下作战、惯性导航和化学探测的概念广泛应用于军事。
 
欧盟和北约的投资在一定程度上受到了俄罗斯这一新兴量子计算参与者的推动。莫斯科和印度共同制定了2020年量子议程，两国政府都承诺投资10亿美元。俄罗斯的国家量子实验室由其国家原子能公司（Rosatom）领导，承诺将量子技术专门用于核工业。
 
尽管如此，报告认为这两个国家的人才储备较少，生态系统建设较为松散，意味着他们还需要几年时间才能与更成熟的量子对手竞争。
 
 
随着量子技术在全球范围内变得愈发关键，各大国防力量正在加速其量子研发和应用，目的是在未来战争和安全防御中占据技术高地。美国、中国以及北约的领先步伐展示了量子技术在军事战略中的核心地位，而欧盟和其他国家也在积极布局，希望缩小与领先国家的差距。此外，随着量子计算、传感和通信技术的进步，全球安全生态正在迅速重塑。
 
未来几年，我们将见证量子技术如何重定义国际力量平衡，以及它将如何影响每一个国家的国防和安全策略。对于所有国家来说，维持在量子技术领域的竞争力不仅是科技进步的需求，更是国家安全的战略必需。
 
参考链接（上下滑动查看更多）：

[1]https://www2.deloitte.com/us/en/insights/industry/aerospace-defense/aerospace-and-defense-industry-outlook.html

[2]https://comptroller.defense.gov/Portals/45/Documents/defbudget/fy2024/budget_justification/pdfs/03_RDT_and_E/OSD_PB2024.pdf

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/4KE4o0a_KRg8lO27sUWMQw

[4]https://www.nrl.navy.mil/Portals/38/PDF%20Files/25%20for%2025%20Booklet_FINAL.pdf

[5]https://www.raf.mod.uk/news/articles/quantum-computing-fair-shaping-the-future-world-of-defence/

[6]https://www.telegraph.co.uk/business/2024/04/17/britain-cracks-down-on-quantum-computing-exports/

[7]https://www.nato.int/cps/en/natohq/official_texts_221777.htm

[8]https://www.army-technology.com/analyst-comment/nato-quantum-technology/?cf-view

[9]https://www.globaldata.com/store/talk-to-us/?report=3449107&_gl=1*13ft7e5*_ga*MTcyNzgyOTU2MS4xNzEyMDI1MjA4*_ga_WVVYGYVBZB*MTcxMzg2MzQwNi44LjAuMTcxMzg2MzQwNi42MC4wLjA.

[10]https://www.army-technology.com/news/how-is-quantum-technology-used-in-the-military/?cf-view

 

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