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在過去的75年里，蘭德公司進行了支持美國國家安全的研究，目前為聯邦政府管理著四個聯邦資助的研究和發展中心（FFRDCs）：一個為國土安全部（DHS），三個為國防部（DoD）。本文將重點評論國防部如何能夠最好地確保人工智能（AI）的進展有利于美國國家安全，而不是降低它。

在一系列廣泛的技術中，人工智能因其進展速度和應用范圍而脫穎而出。人工智能具有廣泛改變整個行業的潛力，包括對我們未來經濟競爭力和國家安全至關重要的行業。由于幾個原因，將人工智能納入我們的國家安全計劃帶來了特殊的挑戰：

• 這些技術是由商業實體驅動的，而這些商業實體經常在國家安全框架之外。

• 這些技術正在迅速發展，通常超過了政府內部的政策和組織改革。

• 對這些技術的評估需要集中在私營部門的專業知識，而這些專業知識很少被用于國家安全。

• 這些技術缺乏區分良性和惡意使用的常規情報特征。

美國目前是全球人工智能的領導者；然而，這種情況可能會改變，因為中國尋求在2030年前成為世界主要的人工智能創新中心--這是中國人工智能國家戰略的明確目標。此外，中國和俄羅斯都在追求軍事化的人工智能技術，加劇了挑戰。作為回應，將強調美國防部可以采取的四組行動：

1.確保美國防部的網絡安全戰略和網絡紅方活動跟蹤可能影響網絡防御和網絡進攻的人工智能的發展，如網絡武器的自動開發。

2.為防止不良行為者獲得先進的人工智能系統，(1)確保對領先的人工智能芯片和芯片制造設備進行強有力的出口控制，同時許可芯片的良性使用，如果需要的話，可以進行遠程節流；(2)利用國防生產法的授權，要求公司報告大型人工智能計算集群、訓練運行和訓練模型的開發或分發情況；(3) 在美國防部與云計算供應商簽訂的合同中，要求他們在訓練大型人工智能模型之前對所有客戶進行 "了解你的客戶 "篩選；(4) 在美國防部與人工智能開發商簽訂的合同中包括 "了解你的客戶 "篩選，以及強大的網絡安全要求，以防止大型人工智能模型被盜。

3.與情報界合作，大幅擴大收集和分析敵國參與人工智能的關鍵外國公共和私營部門行為者的信息，包括評估關鍵外國公共和私營實體；他們的基礎設施、投資和能力；以及他們的工具、材料和人才供應鏈。通過以下方式加強國防部開展此類活動的機構能力：（1）在美國和盟國政府機構、學術實驗室和工業公司之間建立新的伙伴關系和信息共享協議；（2）招募私營部門的人工智能專家以短期或兼職的方式為政府服務。

4.投資于人工智能安全的潛在計劃，包括（1）嵌入人工智能芯片的微電子控制，以防止開發沒有安全保障的大型人工智能模型，以及（2）在部署人工智能系統之前評估其安全性的通用方法。

《空軍全球未來報告： 2040年的聯合職能》通過美國條令中的七種聯合職能--火力、防護、運動和機動、信息、情報、指揮和控制（C2）以及維持--的視角，探討了四種情況，或未來的作戰環境。

本報告通過對2040年未來的持續增長、轉型、受限和崩潰的描述，制定了四種備選的未來作戰環境（FOE）。這些全球性的場景來自于環境掃描和問題分析，發現了新出現的微弱信號、當前的趨勢和長期存在的結構性力量，它們將共同塑造未來。鑒于時間跨度較長，且存在干擾事件，沒有辦法準確預測未來；本報告反而提供了對潛在FOE的分析評估，并通過比較分析，提出了進一步研究的關鍵問題。利用這四個視角，"空軍的未來 "研究了聯合功能，以展示新出現的信號、趨勢和力量如何影響整個美國空軍和國防部的核心業務。

• 持續增長： 大國競爭者繼續試圖增加對美國的影響力并削弱其優勢。全球化仍然是主導的經濟因素，推動了更多的相互聯系和相互依賴。競爭對手做出審慎的經濟選擇，破壞美國的聯盟和伙伴關系，限制美國獲得關鍵資源和市場。一些競爭對手利用道德上的不對稱來掏空關鍵條約和國際規范。潛在的對手利用代理戰爭來測試轉基因士兵、先進的化學和生物武器以及核武器的能力。現代技術消除了避難所，特別是當無處不在的傳感器納入人工智能和機器學習（AI/ML）時。

• 轉型： 前所未有的技術進步及其廣泛傳播，以以前認為不可能的規模重塑了全球權力動態。基因編輯和空間能力的革命性突破--由自主性、人工智能/機器學習、原產地制造、量子計算和定向能源的進步進一步促成--破壞了全球安全環境，并導致了能夠瞬間改變世界的武器的發展。

• 受限： 中俄協調繼續使兩國在新技術、戰略和關鍵礦產以及資源的大規模生產和分配等各個方面受益。這種合作增強了兩國的經濟，同時削弱或破壞了被認為是競爭對手的經濟。新的權力集團利用灰區戰術和新的戰略來避免大國風險，并尋找機會來增加自己的權力。美國及其盟國和伙伴在這個支離破碎的世界秩序中掙扎。

• 崩潰： 自然和人為的危機推動了全球范圍內的孤立主義和民族主義傾向。相對較強的國家以犧牲其他國家的利益來保護自己的利益。較弱的國家則努力維持秩序，提供基本服務。技術擴散與量子、自主、人工智能/ML和定向能源的進步一起改變了戰爭，同時也瓦解了20世紀中期建立的世界秩序。自然和人道主義災難的增加加劇了緊張局勢，強大的暴力極端主義組織（VEO）的重新出現也加劇了緊張局勢，它們進入了權力真空。美國國防預算的減少導致軍隊規模和作戰范圍的縮減。機會主義的競爭者采取行動，以實現民族主義的優先事項，破壞基于規則的世界秩序。分裂和保護主義促使各國加強資源建設，并對社會進行奧威爾式的控制。

報告提出了6方面啟示

1.計算能力轉型。AI/ML、自動化、自主系統和量子有可能在未來二十年內改寫世界。這些趨勢在每個聯合功能和場景中都持續出現。對下一代計算能力的競爭可能對全球力量平衡產生重大影響。

2.無所遁形。如果沒有有效的應對措施，傳感器和互聯武器系統的進步，使目標防御更加難上加難。它將有可能在暗中產生大規模的破壞性影響。這使得美國本土防御更加困難。

3.認知型軟目標。人工智能/ML、神經科學和信息操作方面的進展，將導致認知層面的攻擊面擴大。它將有可能更準確地感知世界，并以微妙但具有破壞性的方式被欺騙。了解世界和更快地做出正確決定的能力，同時抑制對手的決策周期，是戰略優勢的關鍵，強國將加大這方面的投資。

4.力量倍增器。技術上的突破，將在其他趨勢類別中產生連帶效應。包括，但不限于：人工智能/ML，量子計算，定向能源，能源網，傳感器的普遍性，以及空間操作。

5.經濟的相互聯系。全球化增加了經濟和軟實力機會，同時也增加了攻擊面和漏洞。同時，非全球化使貿易和智力合作發生斷裂。地緣戰略上的相互聯系與不同集團之間的平衡決定了未來20年的發展。

6.生命科學的崩潰。商業和國防部門的未來能力，可以讓行為者有目的地或無意地終止生命的基本要素。生物功能需要關鍵的資源，其中許多資源是稀缺的，而且變得越來越稀缺。美軍將被要求支持突發事件，同時也會受到生物學中斷的影響。

引言

量子技術（QT）的基礎是量子力學，這是一門有一百多年的學科。量子力學的第一批應用，被稱為量子革命1.0，包括核裂變、激光、半導體等，其中量子行為的統計方面得到了利用。第一次量子革命曾經并仍然對社會的各個方面產生著深刻的影響，從軍事和國際安全到原子武器、芯片、計算機和精確導航的發展。

現在，我們正在進入量子革命2.0，即QT，在已知物理的極限下，我們正在探索量子物理的全范圍，即所謂的“奇怪”定律。在量子革命2.0中，我們利用單個量子系統的行為，如電子、原子、原子核、分子、準粒子等。QT不會引入根本性的新武器，就像發生在核武器和激光武器上的那樣，而是改進和銳化目前的傳感、通信和計算能力。雖然QT的大部分方面仍處于基礎研究而非應用研究的形式，但我們可以預見幾個高度相關的國防應用。

QT是先進國家長期國防規劃的前沿，包括美國、中國、英國、澳大利亞、印度、俄羅斯、加拿大等。2021年2月，北約國防部長批準了新興和顛覆性技術（EDT）戰略，以促進開發和采用兩用技術的連貫性，量子化技術是該戰略所提倡的九個技術領域之一。

圖：量子戰爭概念——使用各種基于量子技術的系統。

其他國際行為者正在積極地追求QT。例如，中國已經認識到QT的戰略價值和潛在的決定性優勢，而歐盟已經將QT標記為 "具有全球戰略意義的新興技術"，并指出它將被用于 "安全領域的敏感應用和雙重用途的應用"。因此，很明顯，QT將在世界各國的國防戰略中發揮重要作用。

北約組織、機構和成員國正在積極研究QT，無論是理論上還是實驗上，以應對固有的關鍵技術挑戰。在2021年的北約峰會上，盟國領導人啟動了北大西洋防務創新加速器（DIANA），其中一個分支專門研究QTs。重要的是，QT是北約ACT研究中感興趣的一個主題。此外，北約科學和技術組織的研究 "2020-2040年科技趨勢 "審查了北約QT的基礎和期望，而北約國家軍備主任會議討論了QT的實施計劃。

在此必須強調的是，大多數QT目前處于低技術準備水平（TRL），因此，很難準確預測實際性能、能力、所有可能的應用和時間表。這被稱為 "科林格里奇困境"，適用于 "a）在技術被廣泛開發和廣泛使用之前，影響不容易被預測；b）當技術變得根深蒂固時，控制或改變很困難"。在本文中，我們旨在通過簡要介紹QT的關鍵要素、它們的基本應用、在航空和航天領域的潛在效用，建立對QT的認識，并為實地QT設定現實的期望。

關鍵元素

為什么QT如此有趣和重要？從理論上講，利用基本的量子物理學原理，可以使計算速度呈指數級增長，傳感器的靈敏度有驚人的提高，以及前所未有的安全通信。總的來說，這些領域是由量子信息科學學科涵蓋的。在我們考慮個別QT之前，我們必須了解一些基本原理。我們將進一步研究的對QT革命至關重要的特征是量子比特、量子疊加、量子糾纏、不可克隆原理和量子隧道。

量子比特，qubit，是經典信息比特的量子類比。經典比特只能有0或1的值，而量子比特是由一個量子狀態描述的。量子疊加意味著一個量子位可以同時代表兩種狀態。這種行為對計算能力的提高有重要意義。用N個量子比特，我們可以代表2N個狀態（即代表的狀態數量隨著量子比特的數量呈指數級增長）。請注意，當量子測量在一個量子算法的最后應用時，整個疊加只坍縮成一個狀態。因此，我們必須多次運行一個算法，根據各個狀態的統計分布得出結論。通過多次重復，我們可以達到指數級的速度。然而，這種計算能力的提高需要開發新的量子算法，并背離傳統計算。還有許多技術上的復雜問題，挑戰我們完成大規模量子計算的能力。

不可克隆原理指出，一個量子比特（或一般的任意量子狀態）的量子數據不能被復制或克隆。一方面，由于需要更復雜的量子糾錯，這對增加量子計算機的復雜性有重大影響。量子錯誤被間接地糾正，因為如上所述，對一個實際狀態的測量將導致其被破壞。另一方面，它為不能被竊聽的安全提供了前所未有的應用。入侵者的干擾將需要量子測量，這將導致量子塌陷到一個狀態。這樣的情況可以通過比較發送方和接收方的測量結果而輕易發現。

量子糾纏是另一個關鍵概念，指的是兩個或多個量子比特之間的強關聯，這種關聯沒有經典的類比。簡而言之，對其中一個糾纏的量子比特進行任何量子操作，都會對其他相連的量子比特產生即時影響，而不考慮它們之間的距離或障礙。因此，量子糾纏是大多數QT的基本特征，使它們能夠達到由海森堡不確定性原理定義的當前物理學的基本極限，也是許多量子算法的關鍵因素。

一般來說，量子比特和量子傳感系統可以利用不同的量子物理特性來實現，如超導電子學中的電流流，偏振或光子的數量，或電子、原子核或分子的自旋或能量狀態。所有這些量子系統都是非常脆弱的，許多系統只有在接近絕對零度（約-273℃）的溫度下才能被操縱。因此，上述的量子特性不能直接應用于武器，因為即使是最輕微的干擾也會導致量子信息或量子傳感器的敏感性喪失。有了對基礎科學的這種基本認識，讓我們考慮潛在的應用。

基本應用

為了正確理解潛在的好處，我們將把QT分為三類：量子計算，量子網絡和通信，以及量子傳感和成像。

量子計算代表了通用的可編程量子計算機，量子退火器（一種不完美的絕熱計算），以及量子模擬器，它們可以提供比經典計算機更多的計算優勢。然而，盡管人們普遍誤認為處理速度的指數級增長會影響并接管所有經典計算機的任務和應用，但量子計算機只在某些高度復雜和具有挑戰性的計算問題上才會有效。這類問題的例子有：量子模擬（化學和藥物研究的分子模擬，新材料開發等），量子密碼分析（破解大多數非對稱加密方案，通常用于加密電子郵件，語音和視頻通話，數據傳輸，以及遠程訪問內部網絡），更快的搜索，更快地解決線性或微分方程，量子優化（如供應鏈優化，物流，投資組合，或定制藥物），以及量子增強的機器學習。目前，量子計算用于實際部署至少還有十年時間，不會取代經典計算機。

圖：量子技術在網絡中的應用。

圖：量子技術在C4ISR中的應用。

量子網絡和通信旨在通過各種渠道傳輸量子信息（qubits），如光纖線路或自由空間通信。第一代量子網絡中唯一的實際用途是量子密鑰分發（QKD）。與傳統的非對稱加密（也稱為公鑰密碼學）相比，QKD的一個重要優勢是任何攔截或竊聽的企圖都會立即被發現。QKD在商業上可用于光纖，許多商業自由空間的QKD服務將在未來兩到五年內推出。請注意，QKD經常被描述為不可破解的。然而，這只適用于正確實施的量子信息傳輸；由經典計算機控制的端點仍將是進攻性網絡行動的目標。

下一代量子網絡被稱為量子信息網絡（QIN）或量子互聯網，它的不同之處在于分配糾纏的量子比特的能力。QIN將提供更多與安全有關的服務，如安全識別、位置驗證和分布式量子計算。重要的技術應用也將導致高精度的時鐘同步和網絡化的量子傳感器。QIN實施的最大障礙是需要可靠的量子存儲器來存儲量子信息，以便在有許多中間節點的網絡中進行同步和分配。QIN可望在2030年實現。

量子傳感旨在更精確地測量各種物理變量，如磁場或電場、重力梯度、加速度旋轉和時間。改進的時間測量可用于更精確的時鐘（被許多當前技術使用）、量子慣性導航、地下和海底勘探、更有效的無線電頻率通信等。量子傳感是最發達的QT（平均TRL最高），但部署的傳感器的有效性仍然非常不確定。然而，軍事應用需要一個具有低SWaP（尺寸、重量和功率）的便攜式或移動解決方案。同時，量子傳感器的空間分辨率也需要改進，因為它往往與靈敏度成反比。例如，從太空中探測一艘潛艇是可能的，但使用具有有用精度的量子傳感器是不可能的，因為足夠的空間分辨率將導致靈敏度不足。另一方面，一些量子傳感器，如量子導航中的量子傳感器，預計在未來五年內將在相關領域環境中進行測試。

量子成像是量子光學的一個子領域，與量子傳感器（測量一些外部數量）相比，它是主動的（即一些信號被發射出來，其反射需要被檢測）。對于任何傳感器，信噪比（SNR）代表了其靈敏度的基本極限。然而，使用量子糾纏可以達到明顯更高的信噪比，因為如果沒有額外的糾纏知識，信號本身在背景噪聲中可能是無法識別的。量子成像可以改進現有的技術，如量子雷達、三維相機、環繞相機、氣體泄漏相機和低能見度視覺設備。

最后，后量子密碼學（PQC），也被稱為抗量子密碼學，根本不是什么量子，而是目前非對稱密碼學的進化。PQC依賴于更先進的數學，即使對量子計算機來說，也更難計算。因此，PQC可以被簡單地想象為現有系統的軟件/硬件更新，盡管它們通常在計算上要求更高。原則上，永遠無法證明PQC是完全安全的，因為新的經典或量子密碼分析攻擊可能發生。盡管如此，在可預見的未來，PQC仍將很快面世，并對量子攻擊具有彈性。例如，根據NSA的建議，白宮在2022年發布了一份備忘錄，為各機構開始遷移到PQC提供了方向，并在2035年之前全面實施。然而，美國國土安全部的目標是在2030年前遷移其系統。

空中和太空中的QT

與過去的其他技術一樣，國防應用再次成為QT領域研究和發展的主要動力，特別是在美國和中國。雖然這種研究的大部分往往是保密的，但有幾個概述和路線圖，概述了空中和太空領域的潛在用例和想法。這些文件提供了對QT令人振奮的可能性的一瞥，以及它徹底改變國防工業的潛力。

盡管QT有很好的潛力和真正的轉型愿望，但由于它的復雜性，非專業人員對它的理解仍然很差，其重要性往往被夸大和夸張。目前，由于大多處于實驗室階段，TRLs較低，使得對未來的效用、能力或它在未來將發揮的作用的現實估計變得復雜。

在這里，我們將介紹討論最多的想法和在航空和航天領域的可能使用案例。

量子雷達是一種量子成像系統，其工作原理與經典雷達類似，但在單個光子層面上。從理論上講，它具有各種優勢，如更高的抗噪性、隱蔽性（極低的強度，因此，低的探測概率），以及可能的目標識別。量子激光雷達（光探測和測距）或雷達的原理已經在實驗室中成功演示。然而，對許多類型的地基雷達至關重要的微波系統，目前看來是不可行的。然而，從中長期來看，光學系統中的天基量子激光雷達應用仍然是可行的。相反，更精確的量子或光學原子鐘可以提高當前雷達和電子戰系統的性能。

自由空間量子通信將是未來量子互聯網的一個重要渠道，并將導致量子通信資產在空中和空間的更高存在。在未來五年內，自由空間量子通信不太可能成為軍事或政府衛星通信服務的一部分，因為其實施需要新的基礎設施和更多的投資。此外，目前的性能對于實際使用來說太低，而且量子網絡的低密度使其非常脆弱。然而，量子通信將出現在空中和太空領域，主要用于研究和開發、概念驗證演示以及實驗性的，主要是商業性的應用。

隨著可靠的量子存儲器和高速率的量子光學技術的到來，情況將發生變化。然后，具有重要空間存在的量子互聯網可能在2030年后開始建立。在未來，有機會實現量子通信與激光通信的重大技術重疊。激光通信將提供由量子通信保障的高速數據傳輸。目前，量子密碼學被認為是PQC的次要發展工作。PQC是目前首選的解決方案，因為它可能只是一個軟件的更新，具有更短的部署時間尺度，并且可以使用當前的經典網絡或互聯網基礎設施。

QT最有趣的應用之一是情報、監視和偵查（ISR）。單個的QTs提供了各種傳感和成像系統，大大改善了現有的ISR系統。此外，將量子ISR能力與傳統能力相融合，通過利用兩者的優勢和抵消兩者的弱點，可能導致ISR的一個新紀元。然而，充分實現這些可能性將取決于量子計算和通信。

量子磁強計和重力計是兩個例子。量子磁力計檢測磁場，如局部磁異常或弱的生物磁信號。量子磁傳感器正在開發中，用于探測產生局部磁異常的金屬物體，如地雷、簡易爆炸裝置、潛水艇、偽裝車輛和穿墻旋轉的機器。它們也可以作為水下導航的另一種方法。量子重力儀正在為地下監視系統開發，并為探測地下結構如洞穴、隧道、地堡、研究設施或導彈發射井進行測試。這兩種傳感器都可以部署在機載系統或低地球軌道的空間資產上。

最接近實際部署的QT是量子射頻（RF）接收器。量子射頻接收器具有更好的特性，如更寬的頻帶、更好的信噪比、更小的尺寸、更好的到達角檢測、自我校準、沒有金屬部件產生額外的噪聲、在光學系統中的輸出允許更快的信號處理，以及對弱場和極強場的測量。在國防方面，量子射頻接收器可以接收先進的低截獲概率/低探測概率（LPI/LPD）通信和超視距射頻信號，抗射頻干擾和干擾，射頻測向，以及太赫茲頻率成像。在未來，量子射頻接收器可以成為多種系統的標準射頻接收器，如5G和物聯網。量子射頻接收器預計將同樣有助于擴大我們的通信，改善對對手信號的檢測，并校準現有的射頻設備。

量子成像系統可以進一步服務于情報、監視、目標獲取和偵察的作用。這包括全天候、晝夜的長/短程戰術傳感，主動/被動制度，以及隱形探測模式。它們可以在有云、霧、灰塵、煙霧和叢林樹葉的環境中或在夜間作為低光或低SNR視覺設備工作；例如，協助直升機飛行員在有灰塵、霧或煙霧的環境中降落。

圖：太空中的量子應用。

量子慣性導航是空中領域的另一項相關技術，類似于經典的慣性導航，但使用量子傳感器。單個部件正在實驗室和相關環境中進行測試，其穩定性足以用于軍事用途。然而，創建一個完整的量子慣性測量單元仍然是一個挑戰。一般的期望是，量子慣性導航將達到每月只有幾百米的漂移率，而目前的海洋級慣性導航（用于軍用船舶和潛艇）的漂移率為1.8公里/天。第一批用戶可能是具有最少限制性SWaP參數的潛艇。隨著時間的推移，我們可以期待更多的小型化和部署在飛機、無人機和導彈上。

量子計算在許多應用中具有巨大的潛力，如改進機器學習和人工智能，更好的空氣動力學設計，更快的模擬等。所有這些都有望在ISR處理和指揮與控制等領域帶來重大改進。然而，量子計算預計在10-20年以上才能投入使用，相比之下，量子通信需要5-10年以上，量子傳感需要3年以上。

結論

從長遠來看，量子技術在從傳感到通信再到計算等廣泛的應用中有著巨大的前景，但不應該認為在可預見的未來會徹底改變國防應用。

即使原理在實驗室中被證明是成功的，但從實驗室到現實世界的應用仍在進行中。要求，如低SWaP、移動性和成本，仍然是重要的限制因素。

出于一個很好的理由，QTs吸引了我們的注意力和想象力。在理論和實驗室工作的基礎上，我們對該技術及其在現實世界應用中的可能用途有了認識。為此，北約的作用是制定目標和標準，以鼓勵發展和確保互操作性。同時，盟國必須投資于必要的研究，并尋找雙重用途的機會，以加快發展和降低成本。有了這種認識，我們就可以在對所涉及的時間表和努力有現實了解的情況下追求QT的巨大前景。

量子技術是一套新興技術，利用自然界的基本規律，在傳感、成像、通信和計算方面提供前所未有的能力。它們是多樣化的，復雜的，通常是早期的技術準備，并要求以新的方式思考技術的應用和利用。它們的真正能力、局限性、最具破壞性的應用和相關對策仍在發現之中。

這種破壞性潛力、模糊性和復雜性的結合給陸軍帶來了戰略風險和機遇。因此，澳大利亞陸軍發現自己正處于一個加速的全球競爭中，以了解、共同開發和利用量子技術來進行陸軍作戰。

本路線圖旨在構建和介紹陸軍在量子技術方面的方法，以使陸軍在陸地作戰中獲得量子優勢。

三個關鍵點構成了澳大利亞陸軍的方法：

• 澳大利亞正面臨著將其在量子技術研究方面的全球領先地位轉化為可持續的工業和國防優勢的戰略挑戰。

• 澳大利亞國防部在使現有的研究和開發（R&D）能力與國防部的優先問題保持一致方面發揮著作用。這包括在這些技術發展過程中對其進行塑造和指導，以促進技術概念向作戰人員的能力轉變。

• 根據 "運動中的軍隊 "和 "加速戰爭 "中的適應性思維、合作、主權產業和整合等戰略主題，陸軍的路線圖將探索量子技術在陸地領域的潛在用途。

為了發展陸軍的量子技術能力，澳大利亞陸軍將追求四個目標：

1.建立。迅速建立一個以陸域機會為重點的量子創新生態系統。

2.識別。識別量子技術在陸地領域的最具顛覆性和優勢的應用。

3.開發。開發相關技術、作戰概念和修改后的部隊設計。

4.支持。支持澳大利亞國防部的量子技術戰略發展。

為了實現這四個目標，將進行四項相互影響的工作：

• 協作：發展國防量子創新社區的陸軍分會。與該分會的深度合作將使人們在量子技術應用方面的想法趨于一致，共享對發展中技術的態勢認識，繪制能力和供應鏈圖，并支持整個軍隊、國防和國防工業的量子教育。

• 探索：通過定期的陸軍量子技術挑戰賽（挑戰賽），實施快速的量子應用發現和測試周期。這些挑戰將尋求在陸軍資源承諾之前確定量子技術的最有前途的應用。這些挑戰將采取組合方法，平衡不同類型的量子技術的技術風險和潛在應用價值。

• 開發：重點開發量子技術、作戰概念和部隊設計，使陸軍了解如何最好地利用量子技術來加強現有能力和運用，并獲得新的能力和作戰方式。陸軍將尋求對作戰概念演示之外的發明者的支持，使他們能夠繼續發展他們的技術，并為隨后通過能力生命周期的進展做準備。這種發展和挑戰可以由新建立的模擬和測試設施來支持。

• 改進：持續策劃陸軍的量子技術理解、景觀設計、評估和戰略。

為了回應對戰略競爭對手的研究實力和做法的關注，國防部研究與工程副部長辦公室的基礎研究辦公室要求蘭德公司國防研究所研究美國國防部（DoD）如何對待國際基礎研究合作（IBRC），并為國防部制定建議，以改善其使用IBRC的方式。

國際基礎研究合作的好處包括減少技術驚喜，利用合作伙伴和盟友的投資，獲得不同的資源，并將國際科學思想領袖納入國防部網絡。盡管戰略上的考慮會增加或減弱一些合作的科學效益，但不參與IBRC將以失去機會的形式付出代價。建議包括：（1）為負責IBRC的國防部人員提供知識管理工具，使他們能夠更全面地了解合作機會和考慮因素；（2）改進指導，減少國防部研究人員不必要地選擇不與最佳合作伙伴合作的情況。(3) 考慮如何簡化IBRC的申請和批準程序，(4) 分析國防部授予外國研究人員的贈款規模和數量是否足以使國防部實現其成為首選合作伙伴的目標，以及(5) 對國防部的IBRC工作和流程進行更全面的了解。

研究問題

• 美國防部如何對待IBRC？
• 美國防部是如何融入更廣泛的研究生態系統的？
• 哪些科學和戰略考慮會影響美國防部的IBRC決策？
• 美國防部如何改進其使用IBRC的方式？

關鍵發現

• 美國防部和其他組織以不同的方式對待IBRC
  • 美國防部的獨特之處在于，它強調在沒有與國內研究人員合作的項目時，直接資助外國機構的外國研究人員。
  • 美國防部的撥款允許出版，提供有利的知識產權條款，并提供與美國科學家合作的聲譽，這使國防部成為許多外國研究人員的首選合作伙伴。
  • 美國防部的方法在很大程度上利用了國際辦事處人員（IOPs）在世界各地的存在，他們與有前途的外國研究人員接觸，以增加他們對國防部撥款申請的相關性。
• 項目組確定了IBRC在國防部取得成功的三個挑戰
  • 美國際辦事處人員缺乏高效和有效的方法來收集識別和評估合作機會所需的信息。
  • 一些外國研究人員由于各種個人、機構和國家的原因，選擇不為美國防部工作。
  • 一些美國防部內部研究人員寧愿避免參與國際合作。
• 這些建議可能有助于美國防部改進其使用IBRC的方式
  • 提供知識管理工具，幫助美國防部研究資助者和國防部內部研究人員識別、評估、建立和開展國際合作。
  • 審查、改進和公布政策和指南，以減少美國防部內部和國防部資助的美國學術研究人員不必要地選擇不與高質量的外國伙伴合作的情況。
  • 簡化申請和批準程序，以減少與IBRC相關的管理費用。
  • 分析調整美國防部對外國研究人員撥款的規模、數量和條件是否有助于美國防部實現其成為首選合作伙伴的目標。
  • 對美國防部的國際基礎研究工作和程序進行更全面的、多部門的了解。

目錄

第一章

簡介

第二章

方法論

第三章

美國國防部在基礎研究生態系統中的地位

第四章

國際基礎研究合作的科學和戰略考慮

第五章

美國國防部國際基礎研究合作成功的當前和未來挑戰

第六章

結論

附錄A

示例組織概述

附錄B

美國國防部的安全合作與國際基礎研究合作之間的聯系

附錄C

微電子學和光電子學的國際基礎研究合作考慮因素概述

附錄D

與國際研究合作有關的挑戰以及成功的促成因素和阻礙因素

技術正在從根本上改變國防的性質。從人工智能（AI）和機器學習的革命性進展到量子計算、機器人和天基電信的快速創新，軍事防御規劃正在不斷發展。利用科學技術來推進整個國防部（DND）和加拿大武裝部隊（CAF）的指揮和控制（C2）系統，對于維護北美的防務至關重要。

正如“強大、安全、參與”中所強調的那樣，北美的防御仍然是加拿大和美國的一個關鍵優先事項。加拿大的國防政策（國防部2017年）和美國的國防戰略（美國國防部[DoD]2018年）以及美國國家安全委員會的人工智能（2021年）都強調了這一點。盡管目前的系統和北美防御方法多年來一直保持著加拿大和美國的安全，但在新的和正在出現的威脅面前，這些系統和方法已經越來越過時。

正如最近為國防部準備的一份報告所解釋的那樣，技術變革正在加強作戰指揮官確定需求或機會與向作戰人員提供解決方案之間的時間壓縮（Modigliani等人，2020）。在數字時代，軍隊現在面臨的挑戰是，即使想法和初始作戰能力之間的時間尺度開始縮小，也要更快地行動，做出更好的決定。

今天的安全威脅繼續模糊了陸地、海洋、空中、網絡、空間和信息領域之間的傳統區別--即使技術侵蝕了地理上曾經提供的優勢。人工智能和自主系統在戰場態勢感知和精確制導武器系統中的應用代表了軍事技術發展的一個范式轉變。

盡管技術革新一直在塑造戰爭的性質，但當代技術變革的規模和速度是前所未有的。自主的無人機、增強的人機協作和以衛星為媒介的電信正日益成為現代軍事系統的基礎。多極秩序的崛起和日益增長的數字增強型武器市場（2019年公私分析交流計劃）一起，開始從戰略上重新配置國家安全的性質。

在西方占主導地位的時代之外，亞洲正在回歸到現代性時代之前長期繁榮的商業和文化交流模式（Romei and Reed 2019）。隨著全球經濟的變化越來越有利于亞洲市場，美國和中國之間日益激烈的競爭與世界地緣政治重心的轉移相重疊。如果說十九世紀屬于歐洲，二十世紀屬于美國，那么二十一世紀現在屬于亞洲，特別是中國。

事實上，在烏克蘭發生的事件標志著大國競爭歷史上的一個轉折點。俄羅斯對烏克蘭的入侵凸顯了一個不斷變化的地緣政治格局，一個多中心的體系開始形成。俄羅斯的地區野心和中國的經濟崛起正在顛覆歐亞大陸的戰略架構，重新配置全球秩序。

我們可能看到的是一個新的地緣政治格局。中國"一帶一路 "倡議有可能將地緣政治戰略家Halford Mackinder在1904年描述的 "世界島"（AfroEurasia或非洲、歐洲和亞洲）統一起來（見圖1）。正如麥金德所觀察到的，在過去500年里，每一個全球霸主的崛起都是因為對歐亞大陸的主導地位（McCoy 2021）。

面臨著一個新的歷史時刻，因為大國競爭和加速的技術變革共同重塑了全球秩序。全球貿易的地緣政治摩擦和北大西洋公約組織（NATO）與俄羅斯之間曠日持久的沖突共同表明了一個新的、不同的風險環境。商業算法和現成軟件的應用確保了建立在自主系統和人工智能基礎上的技術提高了曠日持久的網絡戰爭的可能性，即使網絡犯罪分子和國家支持的行為者利用數據和通信網絡來攻擊非傳統目標。

DND/CAF認識到，一個以創新變化和地緣政治格局變化為標志的新技術時代正在形成。2017年6月，DND/CAF發布了其國防政策《強大、安全、參與》，認為加拿大的大部分戰術優勢是由于 "敏捷的信息管理和技術工具"。 以推進一系列信息技術為戰略重點，包括數據分析、深度學習和自主系統，"強大、安全、參與 "概述了一些優先事項，并確定了支持加拿大國防戰略愿景的關鍵支柱。

與 "強大、安全、參與"相一致，加拿大國防研究與發展部（DRDC）和國際治理創新中心（CIGI）共同組織了一個全國性的系列研討會，在加拿大國家安全的背景下研究人工智能促進國防和安全。這一舉措特別符合整個加拿大政府對數據的日益重視，正如提交給樞密院書記的報告中所述。聯邦公共服務的數據戰略路線圖》（加拿大政府2018年）。

該系列研討會邀請了各種演講者，以促進對管理下一代軍事行動所需的資源和專業知識的更好理解，涉及三大主題：

→ 人工智能和半自主系統。
→ 人工智能和網絡安全，以及
→ 實現泛域C2。

該研討會旨在從戰略上吸引加拿大的創新生態系統，為專家們提供了一個討論人工智能給加拿大國防帶來的挑戰的空間。由DRDC伙伴關系戰略局發起，該研討會項目由CIGI在2021年秋季和2022年冬季期間管理。與會者包括來自加拿大國防部/加拿大空軍的主要利益相關者、加拿大政府和支持人工智能研究的主要機構。

該研討會側重于了解為軍事行動開發和實施可信賴、可解釋的人工智能所涉及的要求，審查了一系列問題，包括數據質量評估、數據格式、數據共享、偏見緩解、人機合作和自主系統的倫理。這份特別報告建立在該系列研討會的基礎上，為推進加拿大的軍事規劃提供了具體建議。它旨在提供一個分析框架，以了解人工智能在未來十年內對國防的影響。

中美“量子霸權”之戰，美國人眼里的中美量子技術差距有多大？

將中國視為全球量子產業頭號對手，美國到底在害怕什么？

　2022年2月2日，蘭德公司發布了報告《美國和中國量子技術工業基礎評估》（An Assessment of the U.S. and Chinese Industrial Bases in Quantum Technology）。該項研究是由美國國防部(DOD)研究和工程部發起的咨詢項目。評估報告從國家科研基礎、政府活動、私營企業活動和技術成果4個方面對美國和中國量子技術工業基礎發展情況進行了量化分析，并給出了維持美國量子工業基礎優勢的政策建議。[1]

（一）中美量子技術工業基礎四大評估框架

　　量子技術最終會對經濟和國家安全能力帶來顛覆性的影響。該報告從國家科研基礎、政府活動、私營企業活動和技術成果4個方面對美國和中國量子技術工業基礎發展情況進行了量化分析。 　 表1 中美量子技術工業基礎四大評估指標

(二）美國量子工業基礎情況

1. 科研基礎。美國在學術論文發表方面具有深厚的基礎，過去10年有超過1500個機構共發表超過10000篇論文，主要集中在量子計算，其次是量子通信以及量子測量。其中在量子計算和量子通信領域的高被引論文數量最多，研究國際化程度非常高，有超過1半的論文存在國際合作的情況，少量美國研究人員與國家軍事院校開展了合作。

2. 政府活動。美國政府是美國量子研究最大的資助者，2021年量子信息科學研發共投入7.1億美元。近年來，量子信息科學的研發投入穩定增長在20%左右，背后的主要驅動力量主要是國家量子行動計劃（National Quantum Initiative）。

3. 私營企業。美國私營企業在量子信息科學領域具有廣泛和多樣化的特點，有至少182家公司，大多數公司是2017年以后成立的，既有大型技術公司，也有初創公司。美國私營企業在量子信息科學技術和應用領域主要集中在量子計算、量子測量和量子通信方面，其中量子計算最多，量子通信最少。風投是初創公司的重要資助來源，目前累計投入有12.8億美元，且風投主要集中在量子計算領域。

4. 技術成果。截止2021年7月，美國的量子技術原型系統中最高性能的主要集中在量子計算領域。在量子測量部署領域美國也處于全球領導地位，但在量子通信研發仍處于學術研究階段。

(三）中國量子工業基礎情況

1. 科研基礎。中國過去10年超過2000個研究機構共發表論文超過14000篇，發表論文數穩定增長；量子通信領域高被引論文數超過美國，在量子計算和量子傳感領域論文數少于美國；發表的論文中存在明顯的國際合作，但在國際合作方面要弱于美國。

2. 政府活動。中國政府在量子信息科學研發領域的投入從8400萬美元提高到30億美元每年；與美國相比，中國的政府研發投入主要集中少數研究機構，中國政府已經明確將量子技術作為戰略優先方向；從資助和技術成果來看，中國量子信息科學研發主要集中在政府資助的實驗室，尤其是合肥微尺度物質科學國家研究中心，該實驗室在量子技術方面取得的相關成果處于國際先進水平。

3. 私營企業。私營企業在量子信息技術研發方面處于邊緣地位，只有美國的3%，私營企業也集中在量子通信領域。

4. 技術成果。中國在量子超導Transmon qubit（最成熟的量子計算方法）與美國處于同一水平；中國在玻色子取樣（Boson sampling）量子計算領域處于全球領先地位，但在量子計算的其他領域落后于美國；中國在量子通信領域處于全球領導地位，但在量子傳感領域落后于美國。

###（四）報告結論

1. 中美在量子科技領域競爭激烈

（1）美國領先地位明確。美國在量子信息科學方面的整體研究產出廣泛、穩定，在每個應用領域都位于或接近全球前沿，但大多數技術成熟度還不夠，未來幾年內也沒有明確的應用。主要的擔憂在于中國在特定量子通信技術處于領先地位，而且在部分量子計算領域比肩美國。 （2）中美競爭趨勢激烈。美國在量子計算和量子測量領域發表的高被引論文最多，中國在量子通信領域發表的高被引論文最多。美國在量子計算的主要方法技術能力證明上處于領先地位；中國在量子通信領域處于領先地位，在超導Transmon qubit領域的最新研究成果比肩美國；美國和歐洲在量子測量方面處于領先地位。

2. 中美研發投入不斷增大，但研發主體、研發模式不同

**（1）研發投入。**2021年美國政府各部門在量子信息科學研發方面的投入為7.1億美元，年增長率約20%。中國政府在量子技術研發領域的投入為8400萬美元-30億美元每年。 **（2）研發主體。**美國量子技術部署由私營企業主導，沒有明確的技術領導者。美國量子技術領域公司有182家，大多數公司是2017年以后成立的，主要關注量子計算。風投是初創公司的重要資助來源。中國量子技術研發主要集中在政府資助的實驗室，主要集中在合肥微尺度物質科學國家研究中心，只有4400萬美元的非政府資金投入到了中國量子技術的研發，僅占美國的3%。

3. 量子科技發展迅速且潛力巨大，但具體應用仍未知

(1）量子技術供應鏈仍不明晰。部分美國量子技術公司依賴于少量提供高質量組件的歐洲供應商，量子技術沒有唯一的供應鏈，不同的技術方法可能需要完全不同的組件，會導致多條完全沒有重疊和依賴的供應鏈。 （2）量子信息相關技術成熟度仍然很低。開放的科學研究仍然是技術進步的主要驅動因素，許多頂尖研究人員并不位于美國。量子信息科學研究是高度國際化的，當前階段對量子計算和量子通信實施出口管制會影響科研進展和國際合作。量子信息科學的技術能力快速發展，出現新進展的概率很大，但最終應用和相關時間軸方面目前仍不清楚。

（五）政策建議

　　建議美國繼續通過政府研發投入對量子技術提供支持；監管和幫助保護美國量子技術公司的量子技術項目；監控量子初創公司的經濟健康和所有權情況；監控關鍵元素的國際流動情況，比如關鍵組件和材料、人員以及最終的量子技術產品；目前不要對量子計算機或量子通信系統進行出口管制；周期性地對快速變化的量子工業基礎進行重新評估。 　

文獻來源:

[1]//www.rand.org/pubs/research_reports/RRA869-1.html

新興軍事技術

國會議員和五角大樓官員越來越關注發展新興軍事技術，以加強美國的國家安全，并與美國的競爭對手保持同步。美國軍方長期以來一直依賴技術優勢來確保其在沖突中的主導地位，并保障美國的國家安全。然而，近年來，技術的迅速發展和迅速擴散，很大程度上是由于商業領域的進步。正如前國防部長查克·哈格爾(Chuck Hagel)所觀察到的，這種發展已經威脅到美國傳統的軍事優勢來源。美國國防部(DOD)已經采取了一系列措施來遏制這一趨勢。例如，2014年，國防部宣布了第三次抵消戰略，這是一項為軍事和安全目的以及相關戰略、戰術和作戰概念開發新興技術的努力。為了支持這一戰略，國防部建立了許多專注于國防創新的組織，包括國防創新單位和國防戰爭聯盟小組。

最近，2018年的國防戰略呼應了第三次抵消戰略的基礎，指出美國的國家安全可能會受到影響： 受到快速技術進步和戰爭性質變化的影響....新技術包括先進的計算、“大數據”分析、人工智能、自主、機器人、定向能源、超音速和生物技術——這些技術確保我們能夠在未來的戰爭中戰斗并贏得勝利。 美國是開發這些技術的領導者。然而，中國和俄羅斯這兩個關鍵的戰略競爭對手，在發展先進軍事技術方面正在穩步取得進展。隨著這些技術被整合到國外和國內的軍事力量中并部署，它們可能會對國際安全的未來產生重大影響，并將成為國會在資金和項目監督方面的一個重要焦點。

本報告概述了美國、中國和俄羅斯的一些新興軍事技術:

• 人工智能,
• 致命的自主武器，
• 超音速武器,
• 定向能武器，
• 生物技術,
• 量子技術。

它還討論了國際機構內監測或規范這些技術的相關倡議，考慮了新興軍事技術對戰爭的潛在影響，并為國會概述了相關問題。這些問題包括新興技術的資金水平和穩定性、新興技術的管理結構、與征聘和留住技術工作者有關的挑戰、迅速發展和兩用技術的采購過程、保護新興技術免受盜竊和征用，以及對新興技術的治理和監管。這些問題可能會影響到國會的授權、撥款、監督和條約的制定。

?美國國防部已經可以開始應用其現有的國際科技協議、全球科學網絡以及在多邊機構中的作用來促進數字國防合作。本報告將這些選項集合構建為軍事人工智能合作工具箱，可為調整政策、推進研究、開發和測試以及連接人員提供了有價值的途徑。

美國將人工智能 (AI) 的領導地位視為提升其在國際體系中的戰略地位和保持其未來軍事優勢的關鍵。美國的盟友和伙伴網絡是服務于這些目標的不對稱資產，正如旨在讓美國為當前戰略競爭時代做好準備的國家安全和國防政策所確認的那樣。

最值得注意的是，美國國防部 (DOD) 人工智能戰略中宣布的關鍵舉措和國家安全委員會關于人工智能的建議表明了國際參與對人工智能安全、安保、互操作性和與民主價值觀保持一致的重要性。

簡而言之，人們一致認為，加強聯盟和伙伴關系很重要，不僅因為美國在聯盟中行動，而且因為俄羅斯等經常單獨行動。由于技術加速如何推動軍事進步、刺激經濟增長和塑造21世紀的治理模式，人工智能和其他新興技術是與這些近乎同等競爭對手競爭的核心。如果不深化與盟友和伙伴的合作，美國既無法應對大國帶來的挑戰，也無法從塑造人工智能的民主軌跡中獲益。

在此背景下，本報告重點關注通過基于可互操作部隊和尖端技術的強大軍事關系，維護美國及其伙伴和盟國網絡相對于潛在對手的優勢的必要性。國防部已經擁有多種工具可用于深化與其盟國和國際安全伙伴的科技（S&T）合作。但為了充分利用它們在人工智能方面的潛力，該部門需要重新設想并更好地整合它們。

為此，此處的分析將現有的國防科技協議、軍事科技交流和多邊機構的要素構建為軍事人工智能合作工具箱。這項工作不僅僅是為人工智能能力開發集中資源，還包括政策調整；測試、評估、確認和驗證 (TEVV) 管道；研發（R&D）、人員交流；數據共享；和標準化。這里的目的不是提出新的協議，而是回答國防部如何利用其現有的科技合作機制來支持數字時代的軍事合作，確保相關資源和框架在尋求人工智能領導力和未來時不會被利用聯軍成功。

雖然應該承認挑戰，包括圍繞數據交換的敏感性和對技術政策的不同政策觀點，但隨著時間的推移，它們也可以成為合作以減輕這些障礙的動力。換言之，現有工具有助于在政治信任、凝聚力和互操作性方面獲得更多支持，從而使合作有助于應對數字威權主義和技術驅動的國際安全環境變化的共同挑戰。 主要發現是：

• TEVV 是軍事人工智能合作的一個重要但代表性不足的特征。一系列活動可以納入 AI 的合作 TEVV 管道，包括聯合測試、試驗、實驗、培訓、練習以及建模和模擬。
• 利用國防科技協議就共同的研發優先事項進行合作，有助于為其他形式的人工智能合作建立良好意愿，包括與民主價值觀保持一致。
• 軍事人工智能合作不是純粹的技術努力。促進政策和人員聯系的技術、人力和程序措施對于推進可互操作的人工智能采用同樣重要。
• 印度-太平洋地區的盟國和合作伙伴在現有軍事人工智能合作工具箱所涵蓋的主要協議和機構中的代表性不足。

雖然軍事人工智能合作的某些方面可能需要新的投資、機制和協議，但這不應該排除現有工具可以用于新用途的多種方式。軍事人工智能合作工具箱之所以有吸引力，正是因為它可以在短期內啟動，滿足與盟友和伙伴盡早建立互操作性和推進人工智能的緊迫性。