2022年5月31日，美國國會研究服務局向國會提交《國防部反無人機系統》更新版報告。報告簡要介紹了美國國防部面臨的無人機威脅及反無人機投資計劃，概述了反無人機技術及方法，介紹了美國海軍、陸軍、空軍、海軍陸戰隊及國防部及其它機構反無人機武器的最新研究進展，并給出了國會面臨的潛在問題。

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**美國國防部近期反無人機系統有何進展？存在什么問題？美國國會研究服務局向國會提交的《國防部反無人機系統》更新版報告編譯：學術plus觀察員 潛行，文文子

**本文主要內容及關鍵詞

0. 背景：小型無人機對美國安全構成威脅；國防部2023財年計劃投巨資發展反無人機系統（技術研發6.68億/武器采購7800萬美元）；國會發揮監督職能1. 反無人機發展現狀

①反無人機技術：無人機探測技術，反無人機技術方法 ②戰略技術文件與機構設置：《反無人駕駛飛機系統技術》《國防部反小型無人機戰略》，反小型無人機聯合辦公室/JCO ③反無人機武器研發進展：陸、海、空、海軍陸戰隊、國防部其它機構研究情況2. 國會關心的問題與未來發展方向：平衡研發和采購資金；空域管理/作戰概念/交戰規則及戰術等方面的調整；操作風險的識別與管理

3. 評析：美國防部集中發力反無人機系統，全面整合資源，旨在快速形成反無人機裝備能力的領先優勢，美國國會提出的三大問題為國防部反無人系統未來發展指明方向，反應了從技術系統到作戰規則管理的發展路徑。

美軍研究認為，近年來無人機技術迅速擴散，易于被對手和恐怖分子獲得和使用。這些無人機系統成本低，可執行針對美軍的情報、監視和偵察或攻擊任務，對美軍構成嚴重威脅。多數小型無人機飛行高度低、使用特殊材料，傳統的防空系統難以探測。 **美國國防部計劃2023財年至少投資6.68億美元用于反無人機技術研發，7800萬美元用于反無人機武器采購。**國會將加強其監督職能，必須就未來的授權、撥款和其他立法行動做出決定。

1.發展現狀****

反無人機戰略、技術、機構等發展現狀

反無人機通常由探測和壓制/擊敗兩個主要步驟完成。

1.1 反無人機技術

**無人機探測技術：**一是使用光電、紅外或聲學傳感器分別通過目標的光學、熱量或聲學特征探測目標；二是使用雷達系統，該方法探測到微小型無人機效果不佳；三是使用射頻傳感器識別用于控制無人機的無線信號。這些方法經常結合使用可提供更有效的分層探測能力。

**反無人機技術方法：**在探測到非法無人機后，電子戰“干擾”裝置可干擾無人機通信鏈路，或使用槍支、網絡、定向能、傳統防空系統，甚至訓練有素的動物（如鷹）壓制、擊敗或摧毀無人機。

1.2 反無人機文件、機構與培訓

陸軍先后于2016年7月和2017年4月發布了反無人機戰略及技術出版物3-01.81**《反無人駕駛飛機系統技術》**概述了作戰期間防御低、慢、小無人機威脅的規劃考慮，以及如何規劃并將反無人機士兵任務納入陸軍訓練活動。

2019年12月，國防部指定陸軍為反小型無人機執行機構，負責監督國防部所有反小型無人機開發工作。**2020年1月，成立反小型無人機聯合辦公室(JCO)。**JCO評估了超過40種反小型無人機系統后，選擇了10種小型無人機防御系統和一個標準化的指揮和控制系統進行進一步開發。JCO于2021年1月發布了《國防部反小型無人機戰略》。JCO將另外制定一份國防部關于反小型無人機指揮和反小型無人機能力評估。國防部計劃到2024財年建立聯合反小型無人機學院，在各軍種同步開展反無人機戰術訓練。

1.3 反無人機武器研發最新進展

空軍正在進行定向能反無人機測試工作。2019年10月，空軍接收了一套**車載高能激光武器系統(HELWS)樣機，并進行為期一年的海外實地測試。**HELWS在數秒內識別并壓制非法無人機。此外，空軍還尋求機載反無人機武器，目前工作狀態尚不明確。

圖 便攜式反UAS技術

海軍先后開發出30千瓦激光武器系統(LaWS)、干擾無人機傳感器的光學致盲器（ODIN）及60千瓦“太陽神”（HELIOS）激光武器。2014年，LaWS部署在美海軍“龐塞”號(LPD-15)上。2021年，ODIN部署在“普雷布爾”號（USS Preble DDG-88）艦上。此外，海軍還與國防數字服務處合作，快速開發新的網絡賦能反無人機武器。

海軍陸戰隊2019年完成了海上防空綜合系統(MADIS)的海外測試，并于2019年7月壓制了一艘伊朗無人機。海軍陸戰隊還采購了2千瓦、5千瓦和10千瓦緊湊型激光武器系統(CLaWS)。海軍陸戰隊開展了單兵攜帶反無人機試驗，但受限于重量和功率要求，沒有取得成功。

圖 海上防空綜合系統

反無人機是美國陸軍作戰能力發展司令部的六層防空和導彈防御概念的一部分，包括：彈道導道、低空無人機交戰；多任務高能激光；下一代火控雷達；機動防空技術(MADT)；高能激光戰術車輛驗證機；低成本增程防空。目前這些系統仍在開發中，陸軍已部署了一些便攜式、車載和機載反無人機系統。此外，陸軍與國防數字服務處合作開發計算機支持的反無人機產品。

國防部及其它機構也在研究和開發多種反無人機技術。聯合參謀部和其他國防部機構參與了如**“黑鏢”（Black Dart）演習反無人機工作。**國防高級研究計劃局為反蜂群人工智能及用于艦載點防御的多方位防御快速攔截彈交戰系統等項目提供研究資金。

2.發展方向

美國國會：反無人技術管理與發展方向

一是國防部如何平衡研發和采購資金及與其他部門(如國土安全部、司法部和能源部)的協調，減少反無人機系統冗余并提高采購的效率；

二是為優化反無人機系統的使用和/或消除與其他美國軍事行動的沖突，國防部對空域管理、作戰概念、交戰規則或戰術是否需要進行改變；

三是國防部與聯邦航空管理局和國際民用航空當局協調以識別和減輕民用飛機的反無人機操作風險。

3.評析

3.1 美軍持續在反無人機領域發力，以獲取未來競爭優勢

無人機在近期的戰場上表現出驚人的作戰能量，已經成為現代戰爭的重要作戰裝備。面對無人機技術的發展和擴散，美國的戰略焦慮愈發凸顯，近年來一直在強調“大國競爭”，并試圖通過各種手段謀劃獲取優勢。**大力發展反無人機武器及相關技術在反無人機領域獲取絕對優勢是美軍企圖謀取未來競爭優勢的一個重要環節。**為此，美國防部先是成立專門機構協調反無人機技術發展，后又發布《反小型無人機戰略》，強調通過技術復用、體系融合、戰術聯合、戰略協作等方式，提高反小型無人機的整體能力。美軍在應對無人機問題上頻頻發力，實質上是通過在反無人機領域率先出手形成絕對的反制能力，并企圖獲取未來競爭性戰略優勢，繼續維護其全球霸主地位。

3.2 美國防部成立專門部門，統整反無人機方案，評估擇優，確保優勢

為應對日益嚴峻的無人機威脅，美軍各軍種先后開發出一些具有獨創性的反無人機解決方案，但其中大部分解決方案只能解決一小部分問題，彼此間存在相互合作困難。為此，美國國防部設立反小型無人機聯合辦公室(JCO)，負責領導、協同和指導整個國防部反小型無人機活動。JCO評估了超過40種反小型無人機系統后，選擇了10種小型無人機防御系統和一個標準化的指揮和控制系統進行進一步開發。這種整合行動既確保了反無人機領域研究開發工作的適度競爭，又有利于美軍集中資源開發具有技術優勢和良好應用前景的反無人機項目。JCO還通過定期舉辦測試活動引入競爭機制，同時有利于快速尋找反無人機能力差距和快速形成裝備能力，以及便后期加快采購工作，有利于促進反無人機技術發展，快速推動美軍反無人機系統快速走向成熟，始終保持美軍在反無人機領域的優勢，成為該領域的引領者。

3.3 國會關心的幾個問題的解決將為反無人機系統走向應際應用鋪平道路

國會關心的研發和采購資金的平衡、與其他部門的協調及減少反無人機系統冗余并提高采購的效率問題的解決有利于美國國防部實現反無人機系統的研發、采購、應用協調發展，促進裝備能力的快速形成。國防部成立JCO并評估擇優反無人機系統也是落實國會關心該問題的具體體現。國會關心的第二項和第三項問題將促使國防部協調以條令、組織、訓練、物資、領導和教育、人員、設施和政策等因素為基礎的聯合能力的交付，并同步發展作戰概念和作戰原則，同時促使國防部做好反無人機行為可能發生的不利情況預判，盡早制訂相關規則，建立和深化美國與盟友和合作伙伴的關系，為反無人機系統運用掃清障礙。

（全文完） 參考鏈接： //news.usni.org/2022/06/01/report-to-congress-on-anti-drone-weapons

報告概述了反無人機技術及方法，介紹了美國國防部面臨的無人機威脅及反無人機投資計劃，以及美海軍、陸軍、空軍、海軍陸戰隊及國防部其它機構的反無人機武器研究進展情況，并指出了國會在監管方面可能面臨的問題。

1、報告發布背景

無人機系統技術迅速擴散，易被國家、非國家行為者和個人使用，這些系統可為美國對手提供一種低成本的手段，執行針對或攻擊美軍的情報、監視和偵察任務。大多數小型無人機尺寸小、使用特殊結構材料且飛行高度較低，無法被傳統的防空系統探測到。在2023財年，美國國防部計劃至少花費6.68億美元用于反無人機(C-UAS)技術研發，至少花費7800萬美元用于反無人機武器采購。隨著國防部繼續開發、采購和部署這些系統，美國會對其使用的監督可能會增加，也必須就未來的授權、撥款和其他立法行動做出決定。

2、反無人機技術概述

2.1 無人機探測技術

反無人機技術可以采用多種方法探測敵對或未經授權的無人機目標。一是使用光電、紅外或聲學傳感器分別通過目標的視覺、熱量或聲音特征探測目標；二是使用雷達系統探測，但由于小型無人機信號特征不明顯，該方法探測效果不佳；三是識別用于控制無人機的無線信號，通常使用射頻傳感器探測。這些方法通常被組合使用，以提供更有效的分層探測能力。

2.2 反無人機技術方法

各類系統探測到無人機后，電子戰“干擾”裝置即可干擾無人機與其操作人員的通信鏈路。干擾裝置通常可分為便攜式、固定式或可移動式，根據其類型的不同，重量可從幾公斤至數百公斤。除電子戰干擾裝置外，也可以使用槍支、網絡、定向能、傳統防空系統，甚至訓練有素的動物（如鷹）擊敗或摧毀無人機系統。目前，美國防部正在研發多種反無人機技術，以確保其具備強大的反無人機防御能力。

3、美國反無人機武器的研發進展情況

3.1 空軍

美空軍正在進行高功率微波和高能激光武器反無人機測試工作。2019年10月，空軍接收了一套車載高能激光反無人機武器系統 (HELWS)樣機。HELWS旨在在幾秒鐘內識別并壓制敵對或未經授權的無人機，幾乎可無限次射擊。此外，空軍還在尋求機載反無人機武器，目前工作狀態尚不明確。

圖1 便攜式反UAS技術

3.2 海軍

2014年，美海軍在“龐塞”號(LPD-15)上部署了第一款可作戰的激光武器系統(LaWS)，LaWS是30千瓦激光武器樣機，能夠執行反無人機任務。自那時起，美海軍就一直在開發和安裝更多的低、慢、小（LSS）無人機激光武器原型，以提高對抗水面艦艇和無人機的能力。

海軍正在研發部署的干擾無人機傳感器的光學致盲器“奧丁”（ODIN）及60千瓦“太陽神”（HELIOS）激光器，均旨在保護美海軍裝備和系統免受無人機襲擊。此外，在2019年3月28日的一份備忘錄中，海軍部宣布將與國防數字服務局合作，快速開發新的網絡賦能反無人機武器，以應對不斷演變的無人機威脅。

3.3 海軍陸戰隊

海軍陸戰隊通過其地基防空(GBAD)計劃辦公室資助了多個反無人機系統。2019年，海軍陸戰隊完成了海上防空綜合系統(MADIS)的海外測試，該系統采用電子干擾與炮彈相結合技術，可安裝在MRZR全地形車輛、聯合輕型戰術車輛和其他平臺上。2019年7月，拳師號USS BOXER LHD-4兩棲攻擊艦上的海軍陸戰隊員使用海上防空綜合系統壓制了一艘被認為在該艦“威脅范圍”內的伊朗無人機。作為地基防空計劃的一部分，海軍陸戰隊也在采購緊湊型激光武器系統(CLaWS)，該是美國防部批準的首個陸基激光武器，具有2千瓦、5千瓦和10千瓦三種型號，目前陸軍也在使用。盡管海軍陸戰隊已試驗了單兵攜帶反無人機技術，但海軍陸戰隊司令大衛·伯杰（DavidBerger）在2019年向國會作證時認為，由于重量和功率的要求，單兵攜帶反無人機技術沒有取得成功。

圖2 海上防空綜合系統

3.4 陸軍

2016年7月，陸軍發布了反無人機戰略，以指導其反無人機能力的發展。2017年4月，陸軍技術出版物3-01.81《反無人駕駛飛機系統技術》概述了作戰期間防御低、慢、小無人機威脅的規劃考慮，以及如何規劃并將反無人機士兵任務納入陸軍訓練活動。

反無人機是美陸軍作戰能力發展司令部的六層防空和導彈防御概念的一部分，六層概念包括：彈道導、低空無人機交戰(BLADE)、多任務高能激光(MMHEL)、下一代火控雷達、機動防空技術(MADT)、高能激光戰術車輛驗證機(HEL-TVD)、低成本增程防空(LOWER AD)。目前，上述系統仍在開發中，美陸軍已部署了一些便攜式、車載和機載反無人機系統。此外，美陸軍與國防數字服務局還在合作開發計算機支持的反無人機產品。

3.5 美國防部其他機構

美國防部正在研究和開發多種反無人機技術。聯合參謀部和其他國防部機構參與了反無人機研究工作，如“黑鏢”（Black Dart）演習，該演習旨在“評估和驗證現有和新興的防空和導彈防御能力及反無人機任務集特有的概念”和“倡導士兵所需的反無人機能力”。國防高級研究計劃局積極開展“反蜂群人工智能”等研究，為反無人機技術研發提供資金。2019年12月，國防部精簡了各種反小型無人機項目，指定陸軍為執行機構，負責監督美國防部所有反小型無人機的開發工作。

2019年12月，美國防部成立由陸軍領導的聯合反小型無人機系統辦公室(JCO)，負責監督美軍所有反無人機研發工作。通過與作戰司令部和負責采辦和保障的國防部副部長辦公室協商，該辦公室已評估了超過40種反小型無人機系統，并確定未來美軍反無人機項目的研發方向和標準，該辦公室還選擇了10種小型無人機防御系統和一個標準化的指揮控制系統，以進行后續研發工作。聯合反小型無人機系統辦公室還制定了一份聯合能力發展文件，概述了未來系統的作戰需求，并于2021年1月發布了《國防部反小型無人機系統戰略》。該辦公室還將制定另外一份國防部關于反小型無人機指揮和反小型無人機能力評估的文件。

根據計劃，美國防部將于2024財年在俄克拉荷馬州的福特希爾建立一個聯合反小型無人機學院，以在各軍種同步開展反無人機戰術訓練。

此外，美國會《2021財年國防授權法案》第1074節要求國防部向國會提交一系列報告，包括聯合反小型無人機系統辦公室開展的反小型無人機活動報告和獨立評估情況，以及無人機帶來威脅的報告等。

4、美國會面臨的潛在問題

伴隨美國防部開發、使用及部署反無人機系統武器，美國會需對其進行更多監管，并可能面臨如下潛在問題：

• 美國防部對反無人機系統的投資是否在研發和采購項目之間達到了適當的平衡；
• 為反無人機指定一個國防部執行機構在多大程度上減少了反無人機系統的冗余并提高了反無人機采購的效率；
• 在反無人機的開發和采購方面，國防部與其他部門和組織(如國土安全部、司法部和能源部)的協調程度；
• 為優化反無人機系統的使用并消除與其他美國軍事行動的沖突，是否需要對空域管理、作戰概念、交戰規則或戰術進行某些改變；
• 國防部在多大程度上開展了與聯邦航空管理局和國際民用航空局的協調，以識別和減輕民用飛機的反無人機操作風險。

參考來源：//mp.weixin.qq.com/s/XYS19BM8KakPEprF6fMLaw

本文研究了生物技術和網絡技術的融合所帶來的影響，以及如何最好地準備應對這一新興領域所引發的指數級變化。這種融合，特別是腦機接口（BCI）技術，正在實現大腦和計算機之間的雙向通信。臨床應用意義重大，為癲癇、癡呆、神經系統疾病、創傷后應激障礙、腦外傷以及先進的假肢提供治療。在某些情況下，BCI可能不僅能夠恢復功能，還能增強功能。新的非侵入性技術正在顯示出優勢，健康人可選擇安裝BCI以增強其能力。本文將探討這項技術為美國空軍（USAF）提高作戰能力創造的機會，特別是在高工作量的職業領域，以及為未來20年做準備所需的政策選擇。它的結論是，為了抓住這些機會，美國空軍需要現在就對現有技術采取行動，培養一種增加實驗和計算風險的文化。

場景：2040年6月3日 菲律賓呂宋島

一架帶有三架BQ-58A"瓦爾基里"忠誠翼無人機的穿透式反空戰斗機向西北方向發射，執行機密的海上攔截任務。利用一個嵌入式生物傳感器網絡，生理和認知狀態被反饋給飛行員，以提高對形勢的認識。此外，一個光纖腦機接口（BCI）將飛行員的大腦直接連接到飛機上，將大量的傳感器數據融合到一個清晰的心理畫面中。忠誠僚機的任務不是通過語音或按下按鈕來指揮，而是通過機載人工智能（AI）解碼飛行員的意圖。在執行任務的三周前，飛行員從大學畢業，參加并完成了本科飛行員培訓（UPT），然后直接進入他的作戰單位，這個過程通常需要幾年時間。在大學期間，飛行員接受了定期的神經調節治療，幫助他的大腦通路更快地形成，神經元更容易發射，使他的認知和身體能力得到了明顯的改善。在UPT期間，通過使用逆轉錄病毒對他的大腦神經元進行了基因改造，使其對集成到他大腦中的光纖BCI的電流和光脈沖做出反應。使用該接口，來自云端數據存儲庫的知識和經驗被直接上傳到大腦中，消除了多年飛行訓練的需要。

1 引言

網絡技術和生物技術的融合正在為美國空軍提高作戰能力創造機會，特別是在腦機接口（BCI）技術領域。在計算、基因測序、醫療傳感器和增加對神經科學研究的投資方面，平行的進展正在促成這種融合。BCI和相關技術有可能大大改變空軍作戰方式，并為高工作量的職業領域培訓工作人員。除了大量的臨床應用，包括對受傷戰士的治療，這項技術可能會實現快速學習，增強認知和身體能力，以及使神經系統與計算機直接對接以提高性能和效率。在美國空軍尋求滿足未來20年具有挑戰性的國家安全目標時，這些應用對其特別有意義。上述設想是基于2040年，但所述BCI能力是由今天的網絡技術和生物技術的進步促成的。網絡技術和生物技術的快速融合為美國空軍提高作戰能力創造了機會，特別是在性能增強和訓練領域。但是，我們需要立即采取行動，整合當前可用的技術，以了解并逐步適應可能需要的政策變化。

由于該議題的技術性，界定所研究的技術、目標受眾和前期研究的范圍非常重要。BCI是大腦和外部設備之間的雙向通信途徑，旨在獲取、分析和翻譯大腦信號以實現特定的行動。 大腦通常通過向外周神經和肌肉發送信號來誘導肢體運動或進行某種動作。BCI為大腦提供了一個新的輸出渠道，以便與外部設備進行溝通并最終控制外部設備。該外部設備可以是人造肢體、飛行中的模擬飛機，或任何可與計算機連接的設備。BCI也是腦機接口、神經控制的接口、心機接口和直接神經接口的同義詞，所有這些都在其他研究中。BCI通過測量和翻譯來自大腦基本工作單位--神經元的信號來工作。

神經元是大腦中一種特殊類型的神經細胞，旨在通過電化學反應傳輸和接收神經沖動。本文的目標讀者是那些沒有技術學術背景但對現代技術仍有一般了解的人。考慮到這些讀者，我們努力減少神經科學的術語，在適當的時候用平實的語言取代技術術語。本文主要探討了2040年BCI技術的國防影響，特別是性能增強和美國空軍的政策選擇。簡要提到了臨床應用，對具體細節的討論僅限于對受傷戰士的治療。

本文的目標是讓讀者了解BCI技術的現狀、技術挑戰和未來，重點是對美國空軍和國防部（DOD）的影響。最終，它將建議為防止這種不可避免的結果所應采取的行動。首先，本文總結了關于該技術為什么會進入快車道以及當前投資狀況的背景信息。然后，它概述了未來的技術挑戰以及它們將如何指導美國空軍和國防部的實施。接下來，將描述近期、中期和長期的技術影響。該分析最終建議，目前可用的幾項技術應在現實世界的情況下進行測試。這些技術包括：無創生物傳感器以提高態勢感知，神經調節以提高多任務性能，以及眼窩跟蹤以提高人機協作。這些技術提供了適度的性能改進，如果現在實施將幫助美國空軍更好地應對近期以外的政策選擇。

2 背景

2.1 為什么BCI技術會進入快車道？

近年來，由于多個技術領域的平行進步和跨學科的互動，BCI的發展被推上了快車道。其他技術領域包括計算能力、基因測序和醫學傳感器技術的進步，僅舉幾例。例如，在過去60年里，計算能力有了萬億倍的增長。計算能力的進步導致在21世紀初完成了人類DNA結構的測序，這一過程花費了近13年和10億美元。今天，一個基因組測序可以用幾千美元和大約兩天的時間來完成。 醫學傳感器的平行進步使大腦活動的實時測量成為可能，這有助于研究人員了解大腦的過程。此外，神經學家、生物學家、工程師、遺傳學家、心理學家、計算機科學家和數學家之間關于BCI的跨學科互動導致了知識和方法的整合。技術的改進和互動的增加使得通過使用BCI治療多種不同疾病成為可能。

由于BCI為大腦溝通提供了新的輸出路徑，現在可以治療各種臨床病癥，隨后推動了投資和關注的增加。這些病癥包括癲癇、帕金森病、癡呆、肌萎縮性側索硬化癥（ALS）、腦癱、中風、脊髓損傷和肌肉萎縮癥。越來越多的關注也是一些高調的名人診斷的結果，包括克里斯托弗-里夫的脊髓損傷、邁克爾-J-福克斯的帕金森病和斯蒂芬-霍金的ALS。BCI技術有望對那些 "被鎖定"、認知完整但沒有有用的肌肉功能的人特別有幫助。BCI理論上能夠恢復交流能力和神經肌肉功能，大大改善這些人的生活質量。這種在神經系統疾病或受傷后恢復大腦溝通能力的做法，正形成國防部感興趣的應用。

過去20年在阿富汗、伊拉克和敘利亞發生的沖突導致我們的軍人普遍出現創傷后應激障礙（PTSD）、創傷性腦損傷和主要肢體截斷。這促使國防部對BCI的關注和投資增加。2001年10月7日至2015年7月28日期間，美國國會研究局估計，美國在阿富汗、伊拉克和敘利亞的總傷亡人數如下：52,351人在戰斗中受傷，1,645人被截肢，138,197人被診斷患有創傷后應激障礙，327,299人被診斷患有某種形式的創傷性腦損傷。因此，美國在投資改善受傷戰士生活質量的技術方面有既得利益。國防高級研究計劃局（DARPA）經常領導旨在專門解決TBI、PTSD和截肢問題的研究項目。2013年，DARPA啟動了恢復主動記憶（RAM）計劃，目標是開發一個 "完全可植入的、閉環的神經接口，能夠恢復受腦部損傷或疾病影響的軍事人員的正常記憶功能"。 基于系統的新興療法的神經技術（SUBNETS）計劃也在尋求創建一個用于治療創傷后應激障礙的植入式診斷和治療系統。最后，DARPA的革新假肢（Revolutionizing Prosthetics）計劃旨在使 "失去上肢的人恢復接近自然的手和手臂控制"。這些計劃代表了旨在改善受傷戰士的生活質量的努力，但也形成了提高健康人表現的潛在機會。

從BCI的臨床和傷員應用中可以看出，有機會提高人類的表現，從而提高戰斗能力。近一個世紀以來，科幻小說家和好萊塢電影一直在強調這些升級的作戰能力，假設控制論與有機組織的融合。多個領域的技術進步導致了越來越少的侵入性治療。這可能會發展到健康的人可能會選擇接受手術來增強他們的能力。例如，RAM計劃可能會導致健康的大腦有能力提高記憶力。SUBNETS計劃可能會導致在癥狀出現之前診斷大腦疾病的能力。先進的假肢已經超越了人類的靈巧和力量能力。隨著BCI臨床方面的每一個重大進展，都有機會應用技術來提高健康人的表現。

2.2 目前對BCI的投資

近年來，由于臨床應用的成功，BCI的開發和投資出現了爆炸性的增長，這些成功案例技術現在被應用于人類表現的改善。BCI研究的范圍很廣，在這個范圍內，各種組織都在進行研究，每個組織都有自己的BCI具體應用。代表BCI大部分投資的是治療臨床癥狀的應用，包括治療受傷的戰士。這項研究由學術界、商業公司、美國政府實驗室、外國政府和研究實驗室進行。這些實體對BCI感興趣，因為它們可能為以前無法治愈的疾病和病癥創造治療方法。由于BCI的侵入性越來越小，除國防部外，商業公司目前也開始研究將這些技術應用于健康人的方法。本節將通過描述學術界、商業公司和國防部最近在性能提升方面取得的成功，說明BCI技術正處于指數增長的轉折點。

在學術界，最近在先進假肢方面的突破正在增加提高性能的可能性。2012年，這些突破來自揚-謝爾曼（Jan Scheuermann）。頸部以下癱瘓的她，在癱瘓后第一次用意念指揮一個模塊化的假肢來喂食自己。經過兩年的技術改進，Jan通過使用模擬器，用同樣的接口來控制F-35戰斗機的運動。這一突破被廣泛宣傳，并在哥倫比亞廣播公司60分鐘特別節目中達到展示。2018年，約翰尼-馬特尼使用帶有觸覺反饋的最新MPL來彈鋼琴。觸覺機制直接與他手臂上的神經末梢對接，在人工肢體中創造了觸覺。MPL的設計是為了提供類似人類的力量和靈活性。

這些特性可以通過新的機器人技術和控制算法進行修改，以產生超人的能力。此外，解決接口問題為廣泛的應用打開了大門，在理論上人類可以控制任何大型機器或武器系統。這些進展是政府研究撥款進入學術界的直接結果；其目的是改善受傷戰士的生活質量。然而，革命性的假肢僅僅是在表面上幫助那些有病和無病的人。

在過去的幾年里，BCI研究已經聚集了巨大的動力，一些商業公司希望利用BCI的勢頭來提高人類的表現，對此產生了巨大的興趣。Facebook的馬克-扎克伯格最近透露了該公司對BCI的研究。扎克伯格認為大腦是下一個大的計算平臺，并希望生產一種BCI，使人們打字的速度比傳統方法快三倍。馬斯克的目標是通過一種名為神經系帶的產品與大腦建立直接的皮質接口，以幫助人類更好地與人工智能競爭。一家名為Kernal的公司，由Bryan Johnson領導，正在大力發展 "一種BCI設備，它將使我們學習得更快，記得更多，與人工智能'共同進化'，解開心靈感應的秘密，甚至可能連接到群體思維"。查爾斯-斯塔克-德雷珀實驗室公司也是該領域的領導者，有幾項技術正在醞釀之中，可能會提高人類的表現或人機合作。他的努力包括用于假肢的無線連接植入物、帶有BCI的活體遙控蜻蜓，以及旨在無創地讀取神經活動的現場帽。這份清單僅僅代表了美國境內正在開發的商業產品的一部分。列入該清單是為了說明該技術正在導致臨床領域之外的各種不同應用。

基于最近的成功和關于如何將這種技術用于國防目的的新想法，美國防部已經增加了投資并重新組織了工作，以便在這一領域處于領先地位。國防部通常關注退伍軍人的問題，使戰士們身體功能變得完整。多年來，隨著技術、威脅和社會情感的變化，他們的研究已經跨越了一個廣泛的范圍。美國不再尋求創造轉基因的機械人超級士兵；相反，DARPA專注于更溫和和社會可接受的目標，即恢復受傷后的肢體或大腦功能，并提高健康人的表現。基于人類基因組計劃的成功，奧巴馬總統在2013年創建了 "通過推進創新神經技術進行大腦研究 "的倡議。該倡議在2014財年在DARPA、國家衛生研究院和國家科學基金會之間分配了1億美元，以提高我們對人腦的理解。2014年4月，認識到這一爆炸性領域的新資金支持，DARPA成立了生物技術辦公室，該辦公室現在領導生物技術領域至少33個不同的研究工作。

DARPA目前正在資助其他幾項旨在提高對大腦的理解和創造能力，以提高美國作戰優勢的計劃。一些案例包括改善愈合的能力（電子處方[ElectRx]）和通過有針對性的神經調節促進學習（有針對性的神經可塑性訓練[TNT]）。一些研究工作涉及研究如何增加直接進入大腦和RAM/RAM-Replay的讀寫記憶（神經功能、活動、結構和技術[Neuro-FAST]）。

此外，DARPA還資助旨在改善BCI的信號分辨率、帶寬和無創技術的工作，包括下一代非手術神經技術（N3）和神經工程系統設計（NESD）。NESD計劃最近向六個不同的項目頒發了6500萬美元的獎金，這些項目主要是為了改善BCI的硬件、軟件和神經科學。這六個項目中的兩個正在研究語音和聽力的過程，而另外四個正在研究視覺方面的操作。這些項目代表了DARPA為提高我們對大腦的理解、改善受傷戰士的生活質量以及創造機會提高人類表現而做出的部分努力。從臨床應用的成功、大型商業公司的興趣以及美國政府新的投資和興趣來看，BCI技術是一個指數級增長和潛在的顛覆性領域，這一點應該很明顯。

2.3 前進的路

由于BCI和相關技術正在創造提高人類表現和作戰能力的機會，它們對我們的軍事優勢構成了潛在的威脅，這就需要對這項技術的發展方向進行預測。關于顛覆性技術的問題并不是一個新問題。隨著信息革命帶來的快速變化，顛覆性技術已經成為一種常態。2018年國防戰略（NDS）談到了新技術的影響，指出 "我們必須預測新技術對戰場的影響，嚴格定義未來沖突中預期的軍事問題，并培養一種實驗和計算風險的文化。我們必須預測競爭對手將如何利用新的作戰概念和技術來試圖擊敗我們，同時發展作戰概念以加強我們的競爭優勢并提高我們的殺傷力"。

顛覆性技術往往可以被看作是中性的，提供了機會也導致了潛在的威脅；我們只需要根據2018年的NDS來預測其影響。最近對BCI的防御影響進行了相當深入的研究，這是在2016年秋季版《戰略研究季刊》中Michael P. McLoughlin和Emelia S. Probasco的 "腦-機接口：可能的領域"。在這篇文章中，他們討論了腦機接口技術的最新進展、挑戰和出現的可能性。然而，他們最終得出結論："現在開始規劃日常生活中的腦機接口可能還為時過早"。該領域在過去三年的大規模增長表明，我們可能比以往任何時候都更接近看到BCI融入日常生活中。因此，我們需要開始規劃政策對BCI和相關技術的影響。了解政策影響需要為該技術的未來制定發展路線圖。

預測任何顛覆性技術的第一步是了解預測的局限性。BCI和相關技術來源并不局限于一個領域，而是代表了前面所述的跨學科工作。這種跨學科的工作意味著一個領域的進展往往會影響其他領域。由于這些研究領域似乎都在成倍增長，預測一個領域在未來5年、10年或20年的發展似乎是徒勞的。雖然可以推斷出一般的技術趨勢，但離現在越遠，不確定性就越大，因此我們的可預測性就越低。這在BCI方面尤其如此，因為該技術需要在許多不同領域實現巨大的技術跳躍。根據其任務聲明，DARPA正在尋求創造變革性變化的技術，而不是漸進式的改進。他們對基礎研究的投資集中在 "登月"型問題上，因此經常失敗。BCI相關研究的失敗可能會導致技術的大規模轉變。由于在過去幾年中已經克服了大量的技術障礙，但仍然存在相當大的挑戰，這些挑戰可能會減緩、停止或使技術轉向與預期完全不同的東西。下一節將介紹和描述BCI所面臨的四個挑戰。這些挑戰將指導國防部和美國空軍如何應用這項技術。

3 技術障礙

在預測BCI技術在未來幾年的發展方向以及預測什么是可能的或什么是不可能的之前，必須了解所涉及的技術挑戰。這些技術挑戰并非微不足道，可能會大大改變國防部和美國空軍使用技術來提高作戰人員的方式。首先，錯誤的隱喻和好萊塢的炒作，影響了我們對大腦的看法--對大腦及其功能的實際、完整理解可能仍然需要幾十年的時間。第二，身體的免疫系統在受到異物的影響時做出反應。第三，實現高信號分辨率--同時也確保侵入性方法的安全性--產生工程挑戰，包括功耗、生物安全、通信方法（無線或有線）和解碼器效率等問題。最后，BCI植入物會產生倫理、社會和法律問題。這些挑戰雖然不是一個包羅萬象的清單，但代表了指導美國空軍和國防部在未來工作中如何應用這些技術的障礙。

第一個挑戰凸顯了我們要獲得對大腦的全面了解還有多遠。在過去十年中，基因測序技術和繪制大腦圖譜的新工具導致了神經科學研究的爆炸。科學家們現在可以使用這些工具來繪制神經元的發射模式，試圖了解不同的發射模式如何導致不同的行動。然而，大腦包含800到1000億個神經元，每個神經元與周圍的神經元有多達10000個連接。科學家們仍然遠遠沒有理解神經元之間電化學相互作用的動態，以及這些相互作用如何轉化為記憶、行為、感知和行動。我們常常為大腦尋找最接近的比喻，把大腦比作數字計算機及其子部件。雖然存在相似之處（兩者都是為了處理和存儲信息），但它們的過程和機制是相當不同的。在現實中，當接觸到新的經驗時，大腦會根據每個人在一生的經驗中形成現有的、獨特的結構，以一種有序的方式發生變化。羅伯特-愛潑斯坦（Robert Epstein）的文章《空蕩蕩的大腦》指出，沒有理由相信我們中的任何兩人因相同的經歷而發生相同的變化"。例如，兩個空戰經理（ABM）學習同一任務時，其大腦上的射擊模式將取決于他們過去的經驗。這使得準確的記憶假體或將知識和經驗從一個人轉移到另一個人的前景變得復雜。大腦確實具有模塊化設計，某些區域是為特定功能而設計的（即運動計劃、運動執行、攻擊性、注意力等等）。這表明，盡管兩個ABM的大腦活動不會完全相同，但它們很可能是相似的。大腦內可能存在像數學中那樣的準跨度屬性（即5×6=6×5），神經元的排列方式不同，但保留的數據相同。對BCI的未來做出明智預測的第一步是控制我們的期望。這可以通過了解哪些隱喻是有效和無效的，這取決于所比較的內容。

對BCI的第二個挑戰是當受到異物影響時身體的自然免疫反應。這對駐扎在皮膚下的侵入性BCI尤為重要。侵入性BCI通常使用微電極陣列與大腦中的特定神經元直接接觸。一旦身體將電極識別為異物，免疫系統就會開始工作，就像它在刺傷的情況下一樣。其結果是一個被稱為組織包裹的過程，其中電極被稱為膠質疤痕的纖維組織囊所包圍。《神經科學方法雜志》（Journal of Neuroscience Methods）的文章指出，該疤痕的目的被認為是將 "受損的神經組織與身體的其他部分分開，以維持血腦屏障"。這個組織囊降低了電極的信號記錄能力，有時會導致特定神經元的死亡，以至于一些BCI在幾周后變得無法使用。值得注意的是，許多研究工作試圖用組織反應修飾藥物和水凝膠（模仿軟體組織）等先進材料涂層來解決生物相容性問題。然而，身體反應是在臨床患者中實現慢性或長期BCI的最重大挑戰。今天的BCI僅限于在醫生的密切關注下進行臨床研究。醫生不僅要在封裝時快速工作以收集數據，還要嚴格監控患者的腦部感染情況。在醫療設備的生物相容性得到改善之前，這一挑戰可能會在未來十年內限制侵入性BCI在臨床人群中的使用。因此，這將國防部和美國空軍的近期和中期應用推向非侵入性方法。

BCI面臨的第三個挑戰是克服工程障礙，以實現高信號分辨率，同時也確保侵入性方法的安全性。任何BCI的目標都是與大腦產生雙向交流。這通常是通過與神經元直接連接的電極來實現的。目標是實現測量的高空間和時間分辨率。這意味著對測量發生的地點和時間需要了解。與神經元連接的電極越多，研究人員收到的數據量就越大。目前BCI分為三個研究領域。第一個是插入測量（或激發）單個神經元的電極。電極方式是侵入性的，需要在包圍和保護大腦的皮膚保護層下進行操作。電極會受到組織包裹和感染的影響。第二種方法涉及使用腦電圖（EEG）活動從頭皮進行測量。腦電圖方法是無創的，但其典型特征是空間和時間分辨率低。第三種方法是從大腦表面測量皮質電圖（ECoG）活動，而不是通過插入電極。一個ECoG網可能會測量神經元群的發射。這種方法也是侵入性的，但提供的測量分辨率比EEG方法高得多。此外，ECoG方法有助于避免一些對電極方法造成限制的身體免疫反應。

除分辨率和安全性外，BCI工程挑戰還存在于功耗、生物安全、通信方法（無線或有線）和解碼器效率方面。功耗和生物安全是有時直接相互競爭的領域。

通常情況下，醫療設備力求低功耗，以減少電池體積和延長設備壽命。然而，功率要求和有效的生物安全措施之間存在著反比關系，因為通過加密保護信號增加了所需的計算量，推動了功率消耗的增加。無線通信方法比有線通信更受歡迎，以減少感染的機會；然而，它們有其范圍限制，因為人體是電磁輻射的優秀吸收者。解碼器也是一個重大的工程挑戰，旨在完成BCI的分析和翻譯功能。這是因為大腦具有內在的可塑性，這意味著隨著我們的年齡增長，它可以修改其結構并重新連接。因此，解碼器破譯神經元發射模式意圖的能力將隨著大腦的重新排列而降低。解碼器需要能夠理解和適應大腦的變化，以使翻譯功能正常工作。否則，解碼器將需要被重新訓練。隨著低功耗生物安全和解碼大腦信號的新方法開發，這些挑戰可能會被克服。此外，大數據分析和人工智能方面的進展將有助于協助使BCI更接近現實。

第四項挑戰是考慮BCI的倫理、法律和社會影響（ELSI），這會減緩該技術的發展。ELSI過程是在20世紀90年代因HGP而開始的一項研究計劃。其目標是對圍繞研究的影響進行獨立評估。這樣，我們就可以冒險進入可接受的灰色地帶，無論是在倫理上、社會上還是法律上。DARPA利用ELSI專家來幫助 "主動識別與使用神經技術有關的潛在問題"。這些專家補充了機構審查委員會（IRB）所提供的已經很繁瑣的程序。對于美國空軍來說，審查是由俄亥俄州萊特-帕特森空軍基地的第711人類性能翼的IRB完成的。他們的任務是 "通過有效地處理和專業地評估提案的科學合理性和對自愿受試者權利和福利的不妥協保護，促進人類表現和技術研究的卓越發展..."。大多數人都會同意，將BCI用于治療疾病、治療腦損傷或重新使用失去的肢體是利他主義的努力，沒有ELSI問題。這些額外的審查，盡管是必要的，但會減緩BCI的發展，當應用于健康人時，可能最終被限制應用。

這里提出的四個挑戰代表了可能減緩、停止或使這項技術轉向與預期完全不同方向的障礙。這些障礙也推動了預測這項技術在未來5年、10年或20年內的發展方向的不確定性。關于圍繞大腦的誤解和我們對好萊塢或腦機隱喻的偏見，需要努力告知決策者有關BCI的可能性范圍。

4 未來

4.1 短期：未來0-5年

根據BCI所面臨的挑戰，美國空軍今天有機會利用BCI相關技術，幫助為未來五年上線更先進的概念鋪平道路。這些機會包括無創生物傳感器和性能改進方法，如神經調節和光學跟蹤技術。這些方法雖然從定義上講不是BCI，但可能有助于簡化測試過程，并在更先進的技術上線后及早解決影響。對于健康人的性能提升，非侵入性方法對于確保自愿測試這些技術的人的權利和福利不受損害至關重要。此外，它們將確保志愿者可以選擇移除傳感器，或相關影響只是暫時的。正如2018年國家發展戰略中所述，美國空軍處于一個良好的位置，通過在其高工作量的職業領域，特別是飛機駕駛艙中測試非侵入性方法，創造一種 "實驗和計算風險的文化"。

第一步是將無創生物傳感器整合到駕駛艙，以提供關于飛行員生理和認知狀態的反饋。這種實時反饋可以提高態勢感知（SA），同時也減少與飛行有關的一些風險。最近的一個例子是2017年在美國空軍試飛員學校執行的 "有希望項目（Have Hope）"。該項目將便攜式EEG和生物反饋顯示器納入F-16的駕駛艙，以監測飛行員的心率（HR）和心率儲備百分比（%HRR）。其目的是通過實時告知飛行員他們的生理和認知狀態來改善SA。主要的結論是，應該有更多的生物傳感器加入，以充分定義操作者的生理和認知狀態。然而，邁克爾-S-弗里茨（Michael S. Fritts）的作品《人類優化和性能提升》指出，"未來有希望實現個性化的、包羅萬象的、數據驅動的復雜生物反饋算法。"

最終目標是將生物反饋非侵入性地整合到現有的飛機警報系統中，只用各種聽覺、視覺和觸覺提示向飛行員展示相關信息。其他的傳感器可以被整合，以測量血液中外周毛細血管氧飽和度，以幫助缺氧檢測。另外，EEG頭盔可以檢測到G誘發的意識喪失（GLOC）的精確時刻，直接與飛機對接，在落地前恢復飛行員。由于GLOC和缺氧相關的事件繼續在美國空軍內部發生--最近的一次飛機損失發生在2018年--操作效用應該是顯而易見的。通過納入無創生物傳感器來提高安全性和SA，是朝著更好地理解BCI邁出的簡單第一步。

美國空軍在使用BCI方面的另一種方式是使用神經調節技術來提高操作能力。神經調節是通過直接向目標區域提供電或藥物制劑來改變或調控神經活動。在過去的十年中，有一項名為經顱直接電流刺激（tDCS）的技術取得了巨大的進步，一些研究表明，治療后認知和身體能力得到了提高。該技術是高度安全的、可攜帶的、負擔得起的和非侵入性的。基于期望的結果，一個TDCS設備被用來在頭皮表面的特定位置施加少量的電流。從本質上講，電流將受刺激位置的神經元推近閾值，使其更容易啟動。例如，一家名為Halo Neuro Inc.的公司提供了一款商業化的耳機，使用TDCS對控制運動的大腦部分施加小電流。他們宣傳說，這有助于更快地建立大腦中的通路，從而增強舉重或彈鋼琴等任務的肌肉記憶。2018年，空軍研究實驗室發布了對TDCS的研究結果，發現該技術 "明顯提高了參與者的信息處理能力，與假TDCS相比，表現有所提高...。《人類神經科學前沿》的研究結果提供了新的證據，表明TDCS有能力增強和提高人類操作者的多任務能力"。需要進一步的研究來充分了解TDCS的潛在好處和成本，但它創造了一個機會，開始了解美國空軍應該如何解決其操作人員的性能增強問題。

美國空軍利用BCI技術的第三個想法是開始研究如何通過無創的大腦監測和眼窩跟蹤來改善人機協作。人與機器之間的有效互動是美國空軍操作其主要武器系統（MWS）能力的核心。通過利用BCI相關技術與MWS的配合，可以改善這種互動。例如，在戰斗機上指定一個目標，傳統上是通過使用油門和操縱桿開關使光標在雷達屏幕上回轉，然后用另一個按鈕指定，就像用鼠標點擊一個文件一樣。頭盔上提示系統的加入，使飛行員能夠看著目標的方向，同時按下一個按鈕來指定，加快了這個過程。這種方法涉及到精確的頭顱移動，以將固定的光標放在目標上，這在動態的高重力機動中是相當棘手的，并給飛行員的脖子帶來風險。安置在頭盔內的攝像機可以跟蹤眼窩運動，以確定飛行員在視野中的焦點位置。此外，飛機可以利用這一信息在多功能顯示器上移動光標。配合腦電圖頭盔，機載計算機可以被訓練成對特定的神經元發射模式做出反應，以完成指定等簡單任務。

生物傳感器、神經調節技術和改進的人機協作是美國空軍利用當今技術提高安全性、SA、多任務能力和操作員效率的簡單方法。這些技術雖然不是傳統意義上的BCI，但依靠的是近年來因對腦科學的關注度提高而出現的進步。了解這些技術的成本、效益和影響是第一步，因為這些技術為未來更重要的改進提供了可能性。此外，首先探索這些技術將有助于美國空軍解決增強個體所需的潛在政策變化。

4.2 中期：未來5-20年

從中期來看，BCI技術投資的增加將不可避免地導致生物傳感器、神經調節和人機協作的逐步改善。它還可能導致社會可接受的侵入性方法、快速學習和遠程動物控制。在臨床上，人們期望BCI技術能夠恢復或替代那些因神經肌肉障礙而喪失的有用功能。此外，由DARPA資助的基礎神經科學研究將導致對大腦的進一步了解，并可能導致未曾考慮過的應用。本節的目的是預測美國空軍和國防部在近期以后的應用情況。這些應用包括可植入的微芯片、用于快速學習的定向神經調節、遙控飛機控制和使用BCI的動物控制。

植入式微芯片可能幫助識別、信息存儲方法、生物傳感器技術和安全程序的改進。動物 "芯片"已經存在了20多年，但最近的消息表明，對人類也可能會有多種應用。除了主要的識別目的外，人類可能能夠利用這些植入的微芯片來開門，商品支付和服務，使用緊急聯系方式，并存儲醫療記錄。截至2018年10月，超過4000名瑞典人選擇在他們的拇指上方植入一個米粒大小的微芯片。這種微芯片是為了輔助他們的日常生活。它允許他們用手刷一下就可以進入辦公室、家里或健身房。軍隊可以從這項技術和同樣的應用中受益，包括進入安全區域或計算機終端。美國空軍還應該考慮使用侵入性微芯片作為生物傳感器，以提高對我們生理和認知狀態的認識。雖然這項技術的效果可能會提高我們日常生活的效率，并改善SA，但更重要的影響是克服自我改造（也稱為 "生物黑客"）的社會污名。由于生物黑客正在成為主流，美國空軍現在應該考慮如何將生物改造的人納入其隊伍，以及是否需要基于改造的任何限制。對許多人來說，微芯片是一個現實。然而，由于缺乏測試和對長期影響的了解，美國空軍在近期內沒有機會進入該領域。

BCI相關技術的第二個中期應用是通過使用神經調控的正式培訓。初步研究表明，有針對性的神經調節技術，如TDCS，不僅可以在多任務能力和記憶表現方面產生輕微的改善，而且還可以加速學習過程。作為一個通過飛機飛行來體現對技術依賴的軍種，美國空軍將其預算的很大一部分用于訓練個人操作的昂貴武器系統。加速學習過程應該是美國空軍和國防部特別感興趣的，以減少培訓其服務人員所需的時間。DARPA的TNT計劃旨在通過投資于非侵入性技術來解決這一挑戰，以促進新認知技能的長期保持。麥克盧爾-貝格利博士說："TNT技術將適用于廣泛的國防相關需求，包括外語學習、槍法、密碼學、目標識別和情報分析，在減少國防部廣泛培訓計劃的成本和時間的同時，改善成果。" 如果該計劃產生預期的結果，對全世界的教育將產生重大影響。除了基礎知識外，將神經調節技術整合到飛行員頭盔中是一種可能的、有前途的應用，它可以為大腦提供有針對性的、實時的電刺激以提高性能。

BCI的第三個可能的中期應用是通過眼窩跟蹤和大腦監測的結合來改善人機協作。Jan Scheuermann證明了大腦可以被訓練成在模擬器中控制F-35戰斗機，這就引出了一個問題：任何機器人流程自動化（RPA）是否可以用頭腦控制。如果是這樣，它是否比以前的手控方法更有效和高效？五角大樓有一個愿景：士兵在戰場上發射無人機，然后使用BCI控制無人機飛行，將無人機的視頻資料直接輸入士兵的視神經。由于與視神經的接口仍處于起步階段，這種對未來戰場的設想可能處于中期的遠端。然而，使用非侵入式方法控制無人機是未來20年內的事。美國空軍證明了基本的人機合作導致了效率提高，如使用無創腦電圖帽的主要目標指定，它應該專注于探索使用相同的交互可以完成哪些其他任務。改進的形式可以是控制忠誠的僚機或RPA，新的通信形式，或提高人與機器之間互動效率的方法。

將侵入性BCI納入動物用于防御目的是另一種中期可能性。長期以來，在任何產品進入人體試驗之前，對動物進行醫學測試一直是食品和藥物管理局（FDA）的首選方法。這適用于藥品和BCI等醫療設備，FDA對其有完善的審批程序。BCI研究人員發現，一些動物的大腦更容易集成BCI，并允許對動物進行控制或直接植入知識。2017年，Draper實驗室能夠使用BCI控制一只蜻蜓的飛行。蜻蜓經過基因改造，可以接受BCI的光學指令。這一進展意義重大，與市面上的遙控蟑螂不同，其涉及欺騙其觸角。

此外，科學家們已經能夠在小鼠大腦中找到特定的記憶位置，并對其進行虛假記憶的編碼，這使得它們能夠在沒有事先了解的情況下瀏覽一個迷宮。這些進展為增加動物在軍事上的使用提供了一系列可能性。軍事應用包括有效載荷的運送，如二戰期間試圖利用鴿子和蝙蝠來運送彈藥，進行偵察和搜救，以及探測爆炸物。

BCI的中期使用可能會受到美國空軍將無創技術納入高工作量職業領域初步努力的影響和指導。這些初步努力將有助于確定侵入性生物傳感器和微芯片是否會對軍事應用產生增值作用。納入神經調節技術，如TDCS，將有助于確定美國空軍是否應該開始將這項技術納入其正式的培訓課程。飛機上的眼窩跟蹤和無創EEG帽的成功將導致人機協作的逐步改善。最后，對動物的BCI測試將可能導致各種軍事應用。

4.3 長期：20年后

由于該領域的發展速度，BCI相關技術的長期影響難以預測。此外，這項技術可能會得到人工智能、大數據分析、納米技術、基因改造和3D打印等其他技術融合的幫助。這些領域也屬于指數級速度發展的技術范疇，這意味著BCI可能會向多個不可預測的方向發展。鑒于這一事實，可以提供的唯一有用信息是，研究工作可能會克服上述的一些主要挑戰。例如，納米技術和3-D打印的進展將導致微電子機器系統和傳感器的逐步改進，這將有助于工程挑戰。人工智能和大數據分析方面的進展將有助于提高我們解碼意圖能力，這將改善人機合作。基因操縱方面的進展將有助于解決生物相容性問題。值得額外討論的一個特殊的基因改造領域是光遺傳學，它可能會實現好萊塢電影所設想的一些場景。

光遺傳學是一個研究領域，它使腦細胞不僅對電脈沖有反應，而且對光纖電纜的閃光也有反應。光遺傳學的想法源于斯坦福大學卡爾-戴瑟羅博士2005年撰寫的一篇論文，此后在BRAIN計劃的支持下取得了重大進展。它被稱為 "過去160年中腦科學最重大的發展之一"。該過程技術性極強，涉及對個人的神經元進行基因改造，使其在暴露于光線時顯示各種蛋白質。重要的含義是這一領域可能會克服與電動BCI有關的一些重大挑戰。首先，光信號不太可能受到降低電信號的封裝問題的影響。其次，電極有時會無意中激活目標的周圍神經元。光纖電纜可能有能力以高空間和時間分辨率激活單個神經元，這是揭開人腦仍然隱藏的秘密的關鍵。

雖然光遺傳學作為一個領域仍處于起步階段，但它可能導致一種既安全又高效的慢性、可植入式BCI。它可能允許個人僅通過思考在駕駛艙或甚至遠程駕駛飛機。使用該接口加上大腦意圖的解碼器，飛行員可以指揮忠誠的僚機或無人機。一個聯網的BCI可能能夠直接與大腦的各個部分對接，在個人的視野中產生傳感器覆蓋，增強記憶，控制疼痛或情緒，或向另一個人無線傳輸信息。對大腦各區域的有針對性的刺激也可能提高學習或身體能力。BCI和相關技術正在推動人類向超人類主義哲學靠近，該哲學尋求通過使用技術提高人類的智力和生理水平。這種哲學可能會導致對人類的新定義。這些根本性的變化和影響應該通過仔細考慮每種新技術的ELSI問題來解決。在軍事領域，美國空軍和國防部應該是第一個為這種技術的可接受的使用制定標準，然后通過國際協議應用這些標準。只有當我們在BCI的開發和測試方面處于領先地位，才能實現這一目標。

5 建議與結論

我們如何處理那些僅僅提高人類性能、智力、免疫力或能力的技術？雖然它們提供了明顯的優勢，但它們不一定帶來早期武器的那種直接威脅。因此，這些技術將更難識別、控制、限制和預防。

-W. Michael Guillot

"新興技術”，《戰略研究》季刊

5.1 建議

增加在該領域進行的實驗工作將有助于確定該技術最可能的方向和應用，同時也允許美國制定可接受的使用標準。這種實驗的增加將有望促進包括美國空軍內部的文化轉變，以增加風險承受力，正如2018年國家發展戰略所建議的那樣。關于美國空軍如何能夠在BCI方面獲得成功，我們提出了三項建議。這些建議是：

• 為駕駛艙內的飛行員或高工作負荷的職業領域整合可穿戴生物傳感器。這些生物傳感器可以通過提供個人生理和認知狀態的反饋來提高安全性和增加安全系數。

• 啟動測試神經調節技術，如在現實世界中的tDCS，以改善多任務性能和記憶。此外，美國空軍在研究神經調控的長期影響時，應調查加速學習的前景。

• 增加對人機協作研究的投資，如眼窩跟蹤算法和無創EEG傳感器，通過整合到飛行員頭盔中來減少工作量和提高效率。

俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地的第711人體性能聯隊（HPW）與加利福尼亞州愛德華茲空軍基地的空軍測試中心（AFTC）應是負責這些建議的主要組織。711 HPW擁有必要的專業知識，以確保測試工作以高標準的臨床嚴謹性進行規劃，測試對象的權利得到保護，并且測試符合美國空軍的軍事用途。AFTC擁有專業知識，以確保技術符合技術充分性和軍事用途，并以高度的安全性進行。這些BCI相關技術今天已經可用，并且已經由美國空軍以有限的方式進行了測試。現在是將這些技術從實驗室轉移到受控的真實世界環境的時候了。完成這些工作將有助于美國空軍盡早解決政策影響，最終防止對系統的巨大沖擊。

5.2 結論

黑天鵝事件是一個具有極端后果的不可預知的事件。相比之下，"灰犀牛 "是一種 "高度可能的、高影響的威脅：我們應該看到它的到來"。灰犀牛的形式可能是極端天氣事件、氣候變化、2008年房地產泡沫、蘇聯解體或新的顛覆性技術。這些事件往往有明確的警告信號或可見的證據，表明變化可能發生。《灰犀牛》一書的作者米歇爾-瓦克(Michele Wucker)將一種特定的類型描述為 "未確定的......因為它包含了對危險或情況性質的不確定性。"這些灰犀牛通常是具有爆炸性增長潛力的技術，導致的后果不明。她建議測試各種情況，希望能確定最可能的結果，并保持警惕和靈活，因為有時技術可能不是它們看起來的那樣。

本文探討了生物技術和網絡技術的融合，這種融合的形式是一只不知名的“灰犀牛”。解決這只“灰犀牛”需要在神經科學領域繼續投資和實驗。假設這項技術能夠帶來它所承諾的增強功能，那么引領進步將確保國防部保持其作戰優勢。此外，通過在開發過程中密整合ELSI專家，領先性也將在國際舞臺上指導該技術。美國應保持其研究的開放性，并不斷與國際社會接觸，以確保該技術符合國際道德、法律和社會規范。

自軍事航空業誕生以來，美國軍方一直對遙控飛機感興趣。今天的無人機系統（UAS）通常由一個無人駕駛飛行器（UAV）和一個地面控制站組成。自20世紀90年代，隨著MQ-1 "捕食者 "的推出，無人機系統在美國軍事行動中已變得無處不在。

美國軍方目前采用了幾種不同的大型無人機系統，包括

• 陸軍的MQ-1C灰鷹
• 空軍的MQ-9 "死神"
• 海軍的MQ-25 "黃貂魚"
• 空軍的RQ-4 "全球鷹"
• 海軍的MQ-4C "海獅"
• 空軍的RQ-170 "哨兵"

此外，其他幾個報告的項目計劃要么正在開發，要么目前正在進行試驗。這些計劃包括空軍的B-21突擊機和空軍的RQ-180。

當國會履行其監督和授權職能時，它可能會考慮與無人機系統有關的幾個潛在問題，項目相關的幾個潛在問題，包括

• 有人駕駛飛機與無人駕駛飛機的成本。
• 缺乏公認的后續項目記錄。
• 整個國防部對無人機系統采購的管理。
• 無人機系統與現有部隊結構的相互配合。
• 無人機系統出口管制。

在美國軍方，遙控飛行器(RPV)最常被稱為無人駕駛飛行器(UAV)，被描述為單一的飛行器(帶有相關的監視傳感器)或無人駕駛飛行器系統(UAS，或無人機系統)，通常由一個飛行器與一個地面控制站(飛行員實際坐在那里)和支持設備組成。當與地面控制站和通信數據鏈相結合時，無人機形成了無人機系統或UAS。

美國國防部（DOD）對無人機的定義，并延伸至無人機系統，是指涵蓋下列特征的飛機：

• 不攜帶人類操作員。
• 使用空氣動力提供升力。
• 可以自主飛行或遠程駕駛。
• 可以是消耗性的或可回收的。
• 可以攜帶致命或非致命的有效載荷。

根據國防部的定義，彈道或半彈道載具、巡航導彈和炮彈不被視為無人機系統。

無人機系統的作用和任務已經隨著時間的推移而演變，從收集情報、監視和偵察到執行空對地攻擊任務。此外，一些分析家預測了無人機系統的未來作用，如空對空戰斗和戰斗搜索和救援。然而，對無人機系統的未來概念和任務的詳細討論超出了本報告的范圍。

1 無人機系統（UAS）歷史

無人機系統在第一次世界大戰期間首次進行了測試，盡管美國在那場戰爭中沒有在戰斗中使用它們。美國在越南戰爭期間首次在戰斗中使用了無人機系統，包括AQM-34 Firebee，這一系統體現了無人機系統的多功能性。例如，"火蜂 "最初在20世紀50年代作為空中炮擊靶機飛行，然后在20世紀60年代作為情報收集無人機飛行，并最終在2002年被改裝為有效載荷。

美國軍隊在科索沃（1999年）、伊拉克（2003年至今）和阿富汗（2001年至今）等沖突中使用無人機系統，說明了無人機的優勢和劣勢。(下面討論的MQ-1 "捕食者 "進一步體現了這些優勢和劣勢）。當無人機系統執行歷史上由有人駕駛飛機執行的任務時，它們經常獲得媒體的關注。與有人駕駛飛機相比，它們似乎還具有兩個主要優勢：（1）它們消除了飛行員的生命風險（見關于MQ-4C的討論）；（2）它們的航空能力，如續航能力，不受人類限制的約束，并使用對人類來說可能太危險的固有不穩定設計，改進低可觀察技術。此外，無人機系統可以通過執行不需要飛行員在駕駛艙內的 "枯燥、骯臟或危險 "的任務，潛在地保護飛行員的生命。這些任務的例子包括1999年由B-2轟炸機執行的30小時長航時任務（枯燥的任務）；空軍和海軍的B-17飛機穿過核云收集放射性樣品（骯臟的任務）；以及在存在主動威脅的情況下進行的情報監視和偵察飛行，如便攜式防空系統或綜合防空系統（危險任務）。

此外，無人機系統的采購和操作可能比有人駕駛的飛機更便宜。然而，較低的采購成本可能會與國防部的意見相權衡，即無人駕駛平臺比有人駕駛平臺更有可能發生A類事故，即造成250萬美元的損失、生命損失或飛機毀壞的事故（表1）。當比較事故率時，即以每10萬小時飛行的事故報告，以便對不同類型的飛機進行比較，與有人駕駛的飛機相比，無人駕駛的飛機發生A級事故的可能性要高92%；當MQ-1的事故率從無人駕駛的子類別中刪除時，與有人駕駛的飛機相比，MQ-9和RQ-4發生A級事故的可能性高15%（見表1）。雖然與無人駕駛平臺相比，有人駕駛飛機通常有更多的A類事故，但這一結果可能是由于有人駕駛飛機的數量更多。

表1. 1998至2021財年的軍用飛機失事和毀壞率

國防部通常使用三種模式來操作無人機系統：（1）政府擁有和操作的系統，（2）政府擁有但由承包商操作的系統，以及（3）承包商擁有和操作的系統。當無人機系統首次被引入部隊時，國防部使用了承包商擁有和操作的模式，因為國防部培訓軍事人員來操作這些新型飛機。在培訓了足夠的人員后，國防部過渡到了政府擁有和經營的模式。然而，國防部對分配給承包商運營的飛機（包括政府和承包商擁有的飛機）的任務類型進行了限制，將這些類型的行動限制在情報、監視和偵察的作用。

1.1 MQ-1 "捕食者"與無人機系統的引入

最早進入軍隊服役的無人機系統之一是MQ-1 "捕食者"，當時國防部在1996年選擇了空軍來操作 "捕食者"。根據空軍的說法，"捕食者 "的設計目的是 "向作戰人員提供持久的情報、監視和偵察信息，并結合打擊能力"。20作為國防部高級研究計劃局（DARPA）合同下的先進概念技術示范機，"捕食者 "在1995年仍作為技術示范機進行了首次作戰部署，支持北約對塞爾維亞的空襲。從1999年3月到7月，"捕食者 "在科索沃上空飛行了600多架次，進行實時監視和戰損評估。2001年9月，"捕食者 "被部署到阿富汗，在2001年9月11日的恐怖襲擊之后，為支持 "持久自由行動 "提供長期的情報、監視和偵查。美國軍隊對 "捕食者 "的廣泛使用促進了其他密切相關的無人機系統（如下所述）的發展，這些系統旨在執行各種類型的任務。盡管 "捕食者 "于2018年3月9日正式退役，但美軍目前的大部分無人機系統機隊都是基于相同的技術，包括源自 "捕食者 "的機體。

“捕食者”由加利福尼亞州圣地亞哥的通用原子航空系統公司開發，以其綜合監視有效載荷和武器裝備能力幫助定義了無人機系統的現代作用。捕食者的主要功能是對潛在的地面目標進行偵察和目標獲取。為了完成這一任務，"捕食者 "配備了450磅的監視有效載荷，其中包括兩臺電子光學（EO）相機和一臺用于夜間的紅外（IR）相機。這些攝像機被安置在車頭下的球狀炮塔中。掠奪者 "還配備了一個多光譜瞄準系統（MTS）傳感器球，它在EO/IR有效載荷中增加了一個激光指示器，使掠奪者能夠跟蹤移動目標。此外，"捕食者 "的有效載荷包括一個合成孔徑雷達（SAR），它使無人機系統能夠在惡劣的天氣中 "看到"。捕食者的衛星通信提供了超越（地面）視距無線電的操作。

MQ-1捕食者的物理特征："捕食者"是一種中高度、長壽命的無人機系統。它長27英尺，高7英尺，翼展48英尺，有細長的機翼和一個倒 "V "形的尾翼。"捕食者"通常在10,000到15,000英尺的高度運行，以便從其視頻攝像機獲得最佳圖像，盡管它能夠達到25,000英尺的最大高度。每輛飛行器可以在離其基地500多海里的地方停留24小時，然后返回家園。"捕食者"的飛行員和傳感器操作員從地面控制系統中駕駛飛機。

2001年，作為一項輔助功能，"捕食者 "配備了攜帶兩枚地獄火導彈的能力。以前，"捕食者 "識別目標并將坐標轉發給一架有人駕駛的飛機，然后與目標交戰，但增加反坦克彈藥后，無人機系統能夠對時間敏感的目標發動精確攻擊，并將 "傳感器到射擊 "的時間周期降至最低。因此，空軍將 "捕食者 "的軍事名稱從RQ-1B（偵察型無人機）改為MQ-1（多任務無人機）。

在 "捕食者 "作戰成功后，陸軍和空軍都開發了變種飛機，包括MQ-1C "灰鷹 "和MQ-9 "收割者"（下文討論）。這些飛機使用了原來的 "捕食者 "機身，同時增加了發動機功率和武器裝備。

2 選定的當前無人機系統項目計劃

以下各節概述了國防部目前選定的無人機系統項目。

• 陸軍的MQ-1C “灰鷹”
• 空軍的MQ-9 "死神"
• 海軍的MQ-25 "黃貂魚"
• 空軍的RQ-4 "全球鷹"
• 海軍的MQ-4C "海獅"
• 空軍的RQ-170 "哨兵"

除了RQ-170 "哨兵 "是一個公認的機密無人機系統項目外，這些選定的系統都有國防部發布的選定采購報告，其中提供了詳細的信息和系統特征。表2提供了這些選定的無人機系統的特征摘要。

表2. 選定的無人駕駛飛機的特征摘要

2.1 MQ-1C “灰鷹”

MQ-1C“灰鷹”（圖1）是MQ-1 "捕食者 "的陸軍衍生產品。根據陸軍的說法，MQ-1C“灰鷹”為作戰人員提供了專用的、有保障的、多任務的無人機系統能力，涵蓋所有10個陸軍師，以支持指揮官的作戰行動和陸軍特種部隊及情報和安全指揮部。 陸軍表示，MQ1C灰鷹能夠以150節的最大速度在25,000英尺的高度飛行至少27小時。它可以攜帶四枚地獄火導彈，以及光電傳感器、合成孔徑雷達和通信中繼器。根據2021財年選定的采購報告，陸軍的MQ-1C“灰鷹”在2019財年飛行了超過494,000小時，實現了92%的戰斗行動可用性。

圖1. MQ-1C “灰鷹”

陸軍總共采購了204架飛機，其中11架是訓練飛機，13架是 "戰備浮動飛機"（即備件）。平均采購單位成本（基本上是每架飛機的成本）為1.275億美元。36 陸軍在2018年8月完成了MQ-1C "灰鷹 "的作戰測試和評估，目前在15個陸軍連隊運營該無人機系統。

2.2 MQ-9 "死神"

MQ-9 "死神"（圖2）--以前是 "捕食者B"--是通用原子公司對MQ-1 "捕食者 "的替代。根據空軍的說法，MQ-9 "死神 "是一種中高海拔、長續航時間的無人機系統，能夠進行監視、目標獲取和武裝對抗。盡管MQ-9 "死神 "借鑒了MQ-1 "捕食者 "的整體設計，但MQ-9 "死神 "長13英尺，翼展長16英尺。MQ-9 "死神 "還采用了900馬力的渦輪螺旋槳發動機，比MQ-1 "捕食者 "的115馬力發動機功率大得多。這些升級使MQ-9 "死神 "能夠達到最大50,000英尺的高度，240節的空速，24小時的續航時間，以及1,400海里的航程。然而，MQ-9 "死神 "與其前輩最不同的特點是其軍械能力。MQ1捕食者能夠攜帶兩枚100磅的地獄火導彈，而MQ-9死神可以攜帶多達16枚地獄火導彈，相當于陸軍阿帕奇直升機的有效載荷能力，或者混合500磅的武器和小直徑炸彈。在2018日歷年，MQ9 "死神 "總共飛行了325,000小時--其中91%的小時，即約296,000小時，是為了支持作戰行動而飛行的。

圖2. MQ-9 "死神"

2021年1月，通用原子公司披露了MQ-9 "死神 "的一個新的海上反水面戰變體。據報道，MQ-9B "海上衛士 "配備了聲納浮標投放（投放旨在識別潛艇的傳感器）和遙感能力（很可能是指 "海上衛士 "用于搜索水面艦艇的合成孔徑雷達），目前正在太平洋地區進行測試。

根據2020財年選定的采購報告，空軍已與通用原子公司簽訂合同，在該計劃的有效期內建造366架MQ-9 "死神"。按2008年美元計算，平均采購單位成本為2230萬美元（或按2022財年美元計算約為2800萬美元）。在2022財年，空軍沒有要求采購任何MQ-9 "死神"，但眾議院軍事委員會在其標記中授權額外采購6架飛機。

2.3 MQ-25 "黃貂魚"

由波音公司制造的MQ-25 "黃貂魚"（圖3）旨在為海軍的航母航空隊提供空中加油。根據海軍的說法，MQ-25將率先實現有人和無人操作的整合，展示成熟的復雜的海基C4I[指揮、控制、通信、計算機和情報]無人機系統技術，并為未來多方面的多任務無人機系統鋪平道路，以超越新興威脅。MQ-25的要求是解決基于航母的加油和持久的情報、監視和偵察能力的需要。

MQ-25 "黃貂魚 "由一個飛行器和一個控制系統組成，旨在適合航空母艦。它的首次飛行是在2019年9月進行的。MQ-25 "黃貂魚 "目前正處于采購過程的工程、制造和設計階段，海軍計劃在2023財政年度開始采購。根據2021財年的選定采購報告，海軍打算采購76架飛機，平均采購單位成本為1.21億美元。海軍在確定將加油作為其第一個航母上的無人機系統任務之前，研究了幾個無人戰斗飛行器概念。

圖3. MQ-25 "黃貂魚"

2.4 RQ-4 "全球鷹"

諾斯羅普-格魯曼公司的RQ-4 "全球鷹"（圖4）是美國空軍目前投入使用的最大和最昂貴的無人機系統之一。RQ-4 "全球鷹 "集成了多樣化的監視有效載荷，其性能被廣泛認為可與大多數有人駕駛的間諜飛機相媲美或超越。RQ-4全球鷹長47.6英尺，重32,250磅，與一架中等規模的公司飛機差不多大。根據空軍的說法，RQ-4全球鷹的飛行高度幾乎是商業客機的兩倍，可以在65,000英尺的高空停留超過34小時。它可以飛到5,400海里外的目標區域，在60,000英尺高空徘徊，同時監測一個伊利諾伊州大小的區域（近58,000平方英里）24小時，然后返回。RQ-4 "全球鷹 "最初被設計為一種自主的無人機，能夠根據預先編入飛機飛行計算機的輸入進行起飛、飛行和降落；然而，空軍通常在任務控制飛行員和傳感器操作員的配合下操作這些飛機。

圖4. RQ-4 "全球鷹"

RQ-4全球鷹目前以三種配置部署。Block 20、Block 30和Block 40：

• 20號機被稱為戰場機載通信節點（BACN，發音為 "bacon"），充當地面部隊的通信中繼。目前有四架飛機采用這種配置。

• 30號機使用合成孔徑雷達（SAR）、光電/紅外（EO/IR）傳感器、增強型綜合傳感器套件（EISS）和機載信號情報有效載荷（ASIP）的組合。Block 30的初衷是為了取代U-2間諜飛機。目前有20架Block 30飛機正在服役。

• 40號機整合了具有地面跟蹤能力的多平臺雷達技術（可跟蹤地面部隊的雷達，類似于E-8C JSTARS飛機）。10架Block 40飛機正在服役。

截至2016財年的選定采購報告，RQ-4全球鷹已經飛行了14萬小時（其中10萬小時支持作戰行動）。2014年，79.7%的飛機可用于執行任務。2014財年的平均采購單位成本為1.228億美元（或按2022財年調整后的美元計算為1.411億美元）。總統的2022財年預算請求重申了空軍計劃在2021財年退役所有Block 20飛機，并在2022財年退役所有Block 30飛機。

2.5 MQ-4C "海獅"

海軍的MQ-4C "海神"（圖5）也被稱為廣域海上監視（BAMS）系統，它以 "全球鷹 "Block 20機身為基礎，但使用不同的傳感器，與P-8 "海神 "有人駕駛飛機一起支持海上巡邏行動。根據2020財年選定的采購報告，"安裝在MQ-4C天龍上的任務傳感器提供360度的雷達和光電/紅外覆蓋"。報告稱，海軍打算在2020年10月達到初始作戰能力，并在2021年5月做出全速生產的決定。在2019年的年度報告中，作戰測試和評估主任表示，海軍結束了對該飛機的作戰評估，這支持了早期的實戰決定。MQ-4C "海獅 "的平均采購單位成本在2016財年為1.461億美元（或在2022財年約為1.626億美元）。

圖5. MQ-4C "海獅"

2019年6月，伊朗軍方在阿曼灣擊落了一架MQ-4C "海獅"，國防部稱其為BAMS飛機。根據海軍的新聞簡報，這架飛機當時正在該地區飛行，監測霍爾木茲海峽是否有伊朗對商業航運的威脅。國防部官員表示，"這次襲擊是在最近國際航運和商業自由流動受到威脅之后，試圖破壞我們監測該地區的能力。" 當時，特朗普政府似乎考慮對伊朗摧毀一架美國飛機進行報復性打擊，但據報道，在回應一架無人駕駛飛機的損失時，升級風險是不值得的。

2.6 RQ-170 "哨兵"

盡管RQ-170 "哨兵"（媒體也稱之為 "坎大哈的野獸"）被公開承認存在，但關于它的大部分信息都是保密的。RQ-170 "哨兵 "首次在阿富汗上空被拍到，但據說也曾在韓國作戰，它是一種無尾的 "飛翼"，比美國目前的其他無人機系統更隱蔽。 據報道，一架RQ-170 "哨兵 "在2011年5月1日對奧薩馬-本-拉登的駐地進行了監視和數據中繼。伊朗政府在2011年12月2日聲稱擁有一架完整的RQ-170 "哨兵"，因為它被指控侵入了伊朗領空。

RQ-170 "哨兵 "由洛克希德-馬丁公司制造，翼展約65英尺，長近15英尺，由一臺噴氣式發動機驅動。它的上翼表面似乎有兩個傳感器托架（或衛星天線外殼）。雖然該機具有像B-2隱形轟炸機那樣的固有的低可觀察性混合機翼/機身設計，但RQ-170 "哨兵 "的常規進氣口、排氣口和起落架門表明其設計可能沒有完全針對隱形進行優化。

根據空軍的說法，"RQ-170哨兵是空軍正在開發、測試和投入使用的低可觀察性無人駕駛飛機系統（UAS）"。 沒有進一步的官方狀態。

2.7 其他報告的項目計劃

盡管其他無人機系統項目正在開發中，但它們在很大程度上是保密的，因此有關它們的信息并不公開。這些項目包括B-21 "突襲者"（據說是一種能夠進行遠程駕駛的載人轟炸機）和RQ-180。2021年12月4日，空軍部長弗蘭克-肯德爾透露，空軍打算在2023財政年度啟動兩個新的無人機系統項目，但沒有其他信息。

B-21 "突襲者"

即將推出的B-21 "突襲者 "不是一個純粹的無人機系統；這種遠程轟炸機預計將由遠程或機上人員操作。B-21（圖6）打算在常規和核方面發揮作用，有能力穿透先進的防空環境并在其中生存。預計它將在20世紀20年代中期開始服役，建立一個由100架飛機組成的初始機隊。B-21將駐扎在德克薩斯州的戴斯空軍基地、密蘇里州的懷特曼空軍基地和南卡羅來納州的埃爾斯沃思空軍基地，其中埃爾斯沃思是訓練基地。

圖6. 對B-21的渲染圖

B-21是圍繞三個具體的能力而設計的:

1.一個大而靈活的有效載荷艙，能夠攜帶目前和未來的各種武器裝備。

2.航程（盡管是保密的）。

3.預計每架飛機的平均采購單位成本為5.5億美元（2010財政年度），這是公開宣布的，以鼓勵競爭廠商限制其設計。

盡管空軍已經發布了轟炸機的藝術效果圖，但具體設計仍然是機密。

為了實現5.5億美元的目標，單位成本被指定為采購戰略中的一個關鍵性能參數，這意味著達不到這個價格就會失去投標資格。(該價格是基于采購100架飛機；數量的變化可能會影響實際的單位成本）。在授標公告中，空軍透露，諾斯羅普公司中標的獨立成本估計為每架飛機5.11億美元，相當于2016財年的5.64億美元。空軍表示，截至2021年的平均采購單位成本在2010財政年度為5.5億美元，或在2022年為6.7億美元。

RQ-180

據報道，另一個正在開發的無人機系統項目是RQ-180，據說是一種轟炸機大小的無人機系統。 2014年6月9日，前空軍負責情報、監視和偵察的副參謀長羅伯特-奧托中將說，空軍正在 "研究RQ-180遙控飛機，以使其更好地進入有爭議的空域，在那里，無人駕駛的RQ-4全球鷹和有人駕駛的U-2S平臺是很脆弱的。" 關于RQ-180的其他細節幾乎沒有公開發布，空軍也沒有正式承認該計劃。

3 關于國會潛在的問題

本節討論了國會在考慮國防立法時可能出現的問題，包括與載人系統的成本比較，缺乏后續的記錄項目，組織管理，與現有部隊結構的互操作性，以及出口管制。

3.1 與載人系統的成本比較

在2021年6月的一份報告中，美國國會預算辦公室（CBO）研究了有人和無人的情報、監視和偵察（ISR）飛機之間的成本、可靠性和出動率。值得注意的是，CBO確定RQ-4全球鷹每飛行小時的成本約為18,700美元，或載人P-8海神的62%，后者可執行類似任務，每飛行小時的成本為29,900美元。報告還指出：

• 與P-8相比，RQ-4全球鷹預計每年多飛行356小時

• RQ-4全球鷹的預計壽命為20年，而P-8的預計壽命為50年

• RQ-4全球鷹的采購成本為2.39億美元，而P-8海神的采購成本為3.07億美元（約為該載人平臺采購成本的78%）。

同樣，其他UAS飛機的購置成本和每飛行小時的成本也比有人駕駛飛機低。然而，UAS飛機通常比有人駕駛飛機有更高的事故率。國會在比較飛機系統時可以考慮這種權衡--較低的成本與較高的風險。

3.2 缺少后續項目記錄

在伊拉克和阿富汗沖突期間，美國軍方每年購買數百個無人機系統，主要是MQ-1 "捕食者 "和MQ-9 "死神"，但也有RQ-4 "全球鷹 "和MQ-4 "海獅"。當這些沖突結束后，采購量驟然下降。例如，各部門在2012財政年度采購了1211架中型或大型無人機系統，但到2014年，每年的數量下降到54架無人機系統，而且這個數字還在繼續下降。2022財年的預算報告要求采購6套UAS。

國防部沒有對這一變化進行正式的評論；然而，有幾個因素可能影響了這一下降趨勢。一個是在伊拉克和阿富汗沖突期間獲得的許多無人機系統共享類似的技術，軍方可能沒有設定新的要求來納入新技術。另外，盡管那些第一代和第二代無人機系統在寬松的空中環境（如伊拉克和阿富汗的環境，那里沒有對手的空軍或防空部隊）下運行良好，但在與先進的防空部隊和飛機的近距離沖突中，它們會面臨更大的挑戰，而這些飛機越來越成為美國國防規劃的一部分。國防部也可能在更先進的技術（如噴氣動力無人機系統）成熟時，有意識地在采購方面采取戰略暫停。最后，許多無人機系統的開發被認為在這一時期轉移到了不被承認的機密系統。因此，國防部的采購可能沒有如此急劇下降，而是從非機密或公認的機密項目轉移到公共預算文件中看不到的非公認的機密項目。

3.3 組織管理

盡管大多數美國軍用無人機系統是基于MQ-1 "捕食者 "機身的，但各軍種都有無人機系統項目。在授權和監督方面，國會可以考慮以下問題。誰應該管理國防部無人機系統的開發和采購？這些項目中至少有一部分的管理應該集中起來嗎？如果是這樣，國防部的中央機構應該設在哪里？

前空軍參謀長諾頓-施瓦茨將軍提出："理想情況下，你想做的是讓美國政府以一種能夠讓我們獲得最佳能力的方式。一個例子是BAMS[MQ-4 Triton]和[RQ-4]全球鷹。為什么海軍和空軍要有兩個獨立的倉庫、地面站和訓練管道，來處理本質上是相同的飛機和不同的傳感器？我認為我們雙方有很多機會可以更好地利用資源。" 蘭德公司2013年的一項研究發現，從歷史上看，聯合載人飛機項目并沒有帶來生命周期的成本節約，但通過一個辦公室管理多個項目而不完全合并這些項目可能是可能的。

3.4 與現有部隊結構的互操作性

無人機系統在與有人駕駛飛機執行任務時帶來了潛在的互操作性挑戰，因為飛行員并不直接在飛機上，而是位于機場上，用于起飛和降落，或者位于美國的一個設施。例如，UAS飛行員依靠攝像機或傳感器與編隊中的有人飛機進行視覺接觸。在過去的20年里，陸軍和空軍都展示了將無人機系統整合到其行動中的方法；最近，陸軍在其2021財政年度的項目匯合中試驗了新的概念。然而，海軍和海軍陸戰隊在將無人機系統整合到他們目前的機隊和行動中的經驗有限，特別是在航空母艦和兩棲艦上的大型無人機系統。隨著新的無人機系統的開發，以及使用這些飛機的新概念，有人駕駛的飛機和無人機系統將如何整合仍有待觀察。同樣，目前還不清楚與空域沖突有關的問題在多大程度上會給國防部帶來挑戰。

3.5 出口管制

美國通過多邊出口管制制度和國家出口管制來控制無人機系統的出口。

導彈技術管制制度

導彈技術管制制度（MTCR）"尋求限制 "核生化武器擴散的風險，"通過管制可能有助于此類武器運載系統（除有人駕駛飛機外）的貨物和技術的出口"。1987年由美國和其他六個國家成立的MTCR，每年舉行幾次會議，目前由35個伙伴國組成，是一個非正式的自愿安排，其伙伴國同意對一個包含兩類受控物品的附件適用共同的出口政策準則。伙伴國根據國家立法執行這些準則，并定期交流有關出口許可證問題的信息，包括拒絕技術轉讓。MTCR準則適用于武裝和非武裝無人機系統。

第一類MTCR項目是最敏感的，包括 "能夠在至少300公里范圍內運送至少500公斤有效載荷的完整無人機系統，其主要的完整子系統......以及相關的軟件和技術"，以及為這些無人機系統和子系統 "專門設計的 "生產設施。伙伴國政府應 "強烈推定拒絕 "此類轉讓，無論其目的如何，但可在 "罕見情況下 "轉讓此類項目。 該準則禁止出口第一類物品的生產設施。制度伙伴在授權出口第二類物品方面有更大的靈活性，其中包括不太敏感和兩用的導彈相關部件。這一類別還包括完整的無人機系統，無論有效載荷如何，射程至少為300公里，以及具有某些特征的其他無人機系統。

MTCR準則指出，各國政府在考慮MTCR附件物品的出口請求時應考慮六個因素。(1) 對核生化擴散的關注；(2) 接受國 "導彈和空間計劃的能力和目標"；(3) 轉讓對核生化運載系統的 "潛在發展意義"；(4) "對轉讓的最終用途的評估"，包括下文所述的政府保證；(5) "相關多邊協定的適用性"；以及(6) "受控物品落入恐怖團體和個人手中的風險"。 " 該準則還規定，如果伙伴國政府 "根據所有可用的、有說服力的信息 "判斷該物品 "打算用于 "核生化武器的運載，則強烈推定拒絕轉讓MTCR附件中的任何物品或任何未列入清單的導彈。

此外，MTCR準則指出，如果出口國政府不判斷擬議的第一類無人機系統的轉讓是用于核生化運載，政府將從接受國獲得 "有約束力的政府對政府的承諾"，即 "未經 "出口國政府的同意，"該項目或其復制品或衍生品都不會被再次轉讓。出口國政府還必須承擔 "采取一切必要步驟，確保該物品只用于其既定的最終用途 "的責任。此外，政府只有在得到 "接受國政府的適當保證"，即接受國將只為其既定目的使用這些物品，并在未經出口國政府事先同意的情況下不修改、復制或重新轉讓這些物品的情況下，才可批準轉讓 "可能有助于[核生化]運載系統 "的物品。伙伴國政府的出口管制必須要求在政府通知出口商此類物品 "可能全部或部分用于......載人飛機以外的[核生化]運載系統 "的情況下，授權轉讓未列入清單的物品。這些限制被稱為 "全面 "管制。

其他多邊出口管制制度

其他多邊制度限制可能使無人機系統開發核生化有效載荷的技術的出口。例如，核供應國集團管理與核有關的出口，而瓦森納安排在常規武器和某些兩用貨物和技術方面發揮著類似的作用。澳大利亞集團是與化學和生物武器有關的技術的類似組織。

美國的出口管制

從2017年開始，美國向MTCR合作伙伴提交了一系列建議，以放寬該制度對某些無人機系統的出口準則。 這些政府以協商一致的方式作出決定，但沒有同意采納任何這些建議。2020年7月24日，特朗普政府宣布了一項新的無人機系統出口政策，將 "精心挑選的MTCR第一類無人機系統的子類，其飛行速度不能超過每小時800公里（大約每小時500英里），視為第二類"，從而克服了MTCR對這些系統的 "強烈拒絕推定"。美國已經向法國、意大利、日本、德國、韓國、西班牙和英國出口了MTCR第一類無人機系統。

美國商務部工業與安全局（BIS）2021年1月12日的最終規則實施了對美國兩用許可程序的相關修改。BIS向國會提交的2020財政年度報告指出，取消了所有2020年MTCR會議，并解釋說，美國單方面采取這一政策是因為 "在可預見的未來，MTCR沒有進一步進展的場所"。 國務院的一位官員說，該提案 "仍然是我們在MTCR中的一項優先努力，但這--與其他許多事情一樣--受到了旅行限制的阻礙"，該限制是為了應對COVID-19病毒帶來的風險。MTCR成員在2021年10月舉行了一次全體會議，但沒有通過美國的提案。

美國對無人機系統的出口施加了一些其他限制。美國務院負責管理對軍用無人機系統和其他國防物品的出口管制；這一制度的法定依據是《武器出口管制法》（AECA；P.L. 94-329）。該法第71(a)條要求國務卿保持一份MTCR附件中所有不受美國雙重用途管制的物品清單。美國出口管制法》還限制了原產于美國的國防物品的用途，并禁止未經美國政府許可向第三方轉讓此類物品。2018年出口管制法》（P.L. 115-232，B副標題，第一部分）為總統提供了廣泛而詳細的立法授權，以實施對兩用物品出口的控制，包括兩用無人機系統和相關組件。美國關于兩用物品出口的法規包含對無人機系統的全面控制。

美國政府還實施了一些法規，以確保原產于美國的無人機系統的接收者將這些物品用于其申報的目的。根據2019年5月國務院的一份概況介紹，美國將轉讓軍用無人機系統，"只有采取適當的技術安全措施"。 國務院和商務部都會進行最終監測，以確定接受國是否適當地使用出口物品。概況介紹說，一些軍用無人機系統 "可能要接受強化的最終使用監測"，以及 "額外的安全條件"。根據國務院的概況介紹，美國轉讓MTCR第一類無人機系統也 "應要求與 "美國政府就該系統的使用進行定期磋商。

美國海軍希望開發和采購三種類型的大型無人航行器（UV），稱為大型無人水面航行器（LUSV）、中型無人水面航行器（MUSV）和超大型無人水下航行器（XLUUVs）。海軍2023財年擬議預算要求為這些大型UV和LUSV/MUSV啟用技術提供5.493億美元的研究和開發資金，并為XLUUV和其他海軍UUV的核心技術提供6070萬美元的額外資金。

海軍希望獲得這些大型UVs，作為將海軍轉移到一個更加分布式艦隊架構的一部分工作，這意味著一種艦艇組合，將海軍的能力分散到更多的平臺上，并避免將艦隊整體能力的很大一部分集中到相對較少的高價值艦艇上（即一種避免 "把太多雞蛋放在一個籃子里 "的艦艇組合）。海軍和國防部（DOD）自2019年以來一直在努力制定一個新的海軍部隊目標，以反映這種新的艦隊組合。2022年4月20日發布的海軍2023財年開始30年（2023財年-2052財年）的造艦計劃，總結了對新的兵力目標進行的研究結果。這些研究概述了潛在的未來艦隊擁有27至153艘大型USV和18至51艘大型UUV。

海軍設想LUSV的長度為200英尺到300英尺，滿載排水量為1,000噸到2,000噸，這將使它們達到輕巡洋艦的大小(即比巡邏艇大，比護衛艦小的艦艇)。海軍希望LUSV是低成本、高端耐力、可重新配置的艦艇，有足夠的能力攜帶各種模塊化有效載荷--特別是反水面戰（ASuW）和打擊有效載荷，主要是指反艦導彈和對陸攻擊導彈。每艘LUSV可以配備一個垂直發射系統（VLS），有16到32個導彈發射管。盡管被稱為UV，LUSV可能被更準確地描述為選擇性或輕度載人的艦艇，因為它們有時可能有一些船員，特別是在近期內，當海軍制定LUSV的啟用技術和作戰概念時。根據海軍2023財政年度的五年（2023-2027財政年度）造艦計劃，海軍采購LUSV的計劃將在2025財政年度開始。

海軍將MUSV定義為45英尺到190英尺長，排水量大約為500噸，這將使它們與巡邏艇的尺寸相當。海軍希望MUSV和LUSV一樣，是低成本、高端耐力、可重新配置的船只，可以容納各種有效載荷。MUSV的初始有效載荷將是情報、監視和偵察（ISR）有效載荷和電子戰（EW）系統。海軍2023財年開始的五年（2023-2027財年）造艦計劃不涵蓋2023-2027財年期間采購MUSV的計劃。

XLUUV的大小大致與地鐵車廂相當。首批5艘XLUUV在2019財政年度獲得資助，正在由波音公司建造。海軍希望使用XLUUV秘密部署Hammerhead水雷，這種水雷將被拴在海底，并配備反潛魚雷，大致類似于海軍冷戰時期的CAPTOR（封裝式魚雷）。根據海軍2023財年開始的五年（2023-2027財年）造艦計劃，通過其他采購，海軍（OPN）計劃在2024財年開始采購額外的XLUUV。

在對海軍2020-2022財年的擬議預算進行標記時，國會國防委員會對海軍的采購戰略是否提供足夠的時間來充分開發這些大型UV，特別是LUSV的作戰概念和關鍵技術表示關注，并包括旨在解決這些問題的立法規定。作為對這些標記的回應，海軍已經重組了LUSV項目的采購戰略，以便遵守這些立法規定，并在進入可部署單位的批量生產之前提供更多的時間來開發作戰概念和關鍵技術。

圖1. 支持LUSV和MUSV計劃的原型機

2021年3月，美國哈德遜研究所國防概念與技術中心發布研究報告《實施以決策為中心的戰爭：提升指揮與控制以獲得選擇優勢》，提出以決策為中心的戰爭將使美軍做出更快、更有效的決策，從而賦予美軍更大的競爭優勢。

序言

自冷戰結束以來，美國國防部（DoD）針對來自主要對手（如中國、俄羅斯和朝鮮等）的巨大軍事沖突發展了相應理論和能力。這些最壞的情況是為了確保美軍也能應對“較少的情況”。然而，這種方法偏重于為大規模、高強度軍事沖突設計的概念和系統，美國的智能對手不太可能向美軍挑起對抗，而國防部可以在力量投射或精確打擊等任務中發揮其優勢。

美國的對手在過去十年中已經發展出了抵消美國軍事優勢的方法，如中國和俄羅斯的灰色地帶或混合行動，這些方法以較低的成本和升級——盡管比傳統的軍事作戰時間更長——獲得目標。因此，國防部應修訂其規劃，提高新方案的優先級，這些方案以不同于戰區范圍內高強度作戰的方式給美軍施加壓力，如通過延長時間、不同程度的升級和規模，以及使用代理和準軍事力量。

中國的“系統破壞戰”概念和俄羅斯軍方的“新一代戰爭”概念是針對美國及其盟友的新方法的代表。雖然它們的制勝理論和方法大相徑庭，但這兩種概念都有一個共同點，即把信息和決策作為未來沖突的主戰場。它們從電子和物理上直接攻擊對手的戰斗網絡，以降低其獲取準確信息的能力，同時引入虛假信息，削弱對手的定向能力。同時，軍事和準軍事力量將通過孤立或攻擊目標的方式向對手提出難題，以中和對手的戰斗潛力，控制沖突的升級。

美國海軍如何重新平衡實施 "馬賽克戰 "部隊的例子

決策中心戰的興起

以決策為中心的概念，如系統破壞戰和新一代戰爭，很可能成為未來沖突的重要形式，甚至是主要形式。在冷戰后期，美軍革命性的精確打擊戰方式利用了當時的通信數據鏈、隱身和制導武器等新技術。同樣，以決策為中心的戰爭可能是軍事上利用人工智能（AI）和自主系統的最有效方式，這些技術可以說是當今最突出的技術。

以決策為中心的戰爭的一個例子是國防高級研究計劃局（DARPA）的馬賽克戰爭概念。馬賽克戰爭概念的中心思想是，由人類指揮指導的、具有人工智能功能的機器控制的分列式有人和自主單位可以利用它們的適應性和明顯的復雜性來延遲或阻止對手實現目標，同時破壞敵人的重心以排除進一步的侵略。這種方法與機動戰一致，不同于第二次世界大戰期間盟軍采用的基于損耗的戰略，也不同于冷戰后美軍在科索沃、伊拉克和利比亞沖突中采用的戰略。雖然馬賽克戰爭采用損耗作為給敵人制造困境的一部分，但其實現成功的主要機制是拒絕、拖延或破壞對手的行動，而不是削弱對手的軍事實力，使其無法再有效作戰。因此，馬賽克戰爭非常適合作為現狀軍事大國（如美國）尋求遏制侵略的概念。

在近期兵棋推演中，馬賽克部隊與傳統軍事部隊在任務完成情況的比較

馬賽克戰爭提出了一種部隊設計和指揮控制（C2）程序，與今天的美軍相比，它將使美軍能夠執行更多、更多樣化的行動方案（COA）。馬賽克部隊的分解結構和使用人類指揮與機器控制，將使對手的決策復雜化，縮小其選擇范圍，并施加一系列可能無法解決的困境。通過增加美軍指揮官的選擇權，減少敵方的選擇權，馬賽克戰法將尋求獲得“選擇權優勢”，使美軍能夠做出更快、更有效的決策。

選擇性戰略與以預測為中心的規劃方法形成鮮明對比，在這種規劃方法中，選擇最有可能導致成功的作戰行動方案并迅速實施，通過將與未選擇的作戰行動方案相關的系統和兵力要素分配給其他任務來提高效率。在以預測為中心的模式中，資源的早期承諾必然會限制指揮官今后的選擇空間。

與今天的美軍相比，馬賽克部隊的設計和C2過程可以在選擇權競爭中提供更大的優勢，因為隨著對抗或競爭的進展，可以緩解由于損失或敵方態勢感知的改善而導致的選擇權減少的自然趨勢。例如，“馬賽克”部隊可以更容易地隱藏具有反ISR能力的平臺或編隊，并在以后暴露出來，以實現新的選擇；利用數量更多、規模更小、成本更低的增援部隊；或依靠決策支持工具，允許繼續使用與高級指揮官物理或電子隔離的部隊。

圖：以網絡為中心的戰役空間架構與基于情境的戰役空間架構的特點比較

一支馬賽克部隊也將比今天的美軍更有能力進行縮小對手選擇范圍的行動。通過同時發起許多行動并加速其決策，一支使用人類指揮和機器控制的分布式部隊可以給對手造成足夠的困境，從而排除與作戰相關的數量的《作戰協議》。此外，馬賽克部隊還可以利用諸如分配、佯攻和探測等欺騙技術以及反ISR系統來補充其更大的規模和決策速度，這些技術可以使對手相信某些選擇不可行或不可能成功。

雖然國防部的C3結構，如混合和聯合全域指揮和控制（CJADC2）開始納入決策支持工具，為特派團整合效應鏈，但其目前和近期的實例旨在支持有效的火力投送，而不是持續的可選性。此外，與CJADC2相關的C2和通信（C3）舉措，如高級戰役管理系統（ABMS），需要提前確定架構和組件系統。因此，CJADC2在其能夠提供的可選性方面將受到固有的限制。

圖：C2實施方法的比較

通過C3實現選擇權

第一步是壓縮空間的表征，重點放在時間的表征上。以一個作戰人員在短時間內的行動為例，在這個例子中，一個作戰人員的任務是收集指定地點的圖像。這在操作上是不現實的情況，只是用一個簡單的案例來說明這個概念。

在C3組合中，國防部已經在通信復原力方面進行了大量投資。因此，大部分新的努力和資源應該應用于C2能力。盡管美國軍方投資于所謂的C2系統，但這些項目主要是操作中心和軟件堆棧，作為在部隊中傳遞數據、信息、命令或權限的基體。盡管對管理部隊來說是必要的，但目前國防部的C2系統——將C2看作是連接——并不是決策支持系統，后者將C2看作是一個過程。

圖：在馬賽克C2方法中采用OODA循環

用于以決策為中心的戰爭的C3能力需要做的不僅僅是實現連接。例如，C2工具將需要生成能創造和維持可選擇性的COA，以提高適應性，并將復雜性強加給對手。為了幫助初級領導人執行任務指揮，C2工具還需要了解哪些單位在通信中，他們在潛在的COAs中的作用，并配置網絡以確保所需單位與適當的指揮官保持一致。為了評估這些要求和以決策為中心的C3的其他要求，本研究采用了多種視角，如下所述。

• 棧式視角：與互聯網一樣，以決策為中心的C3架構需要有物理媒介來進行數據移動；需要網絡結構來管理指揮官、傳感器和效應器之間的數據移動；需要信息架構來將數據組織成有意義的形式；需要評估信息的應用程序，如決策支持工具。目前的技術可以滿足這些需求，但無法在追求選擇優勢的同時，在對抗性環境中實現部隊和網絡的動態組成和重新配置。

圖：以預測為中心和以決策為中心的選擇空間隨時間變化的比較

• 網絡視角：要實現可選擇性和實施以決策為中心的戰爭，就需要有能力使C2結構與現有通信保持一致，而不是試圖建立一個在面對敵方協同干擾和物理攻擊時仍能生存的網絡。這些需求導致了一種混合架構，這種架構將網絡方式與分層方式結合起來，可以被定性為 "異構"。這種拓撲結構將使指揮權與合格的人類操作者占據的節點中具有最高程度的節點相一致。

• 解決問題的視角：與從頭開始處理每個新情況相比，使用類比推理的問題解決過程可以更迅速地評估潛在的備選方案，由此產生的決策空間的增加可以使指揮官將限制其備選方案的作戰行動協議推遲到最后一刻。此外，如果使用人工智能支持的算法在沒有監督的情況下建立COA，對手可以通過佯攻和探測來影響算法的學習，使系統認為COA是成功的，如果不是對手的行動，實際上會失敗。

圖：來自DARPA PROTEUS計劃的分析和用戶界面，AI輔助規劃

• 時間視角：可選性的概念適用于多個時間尺度，從戰略到工業能力發展和部隊的戰術行動。C3架構的能力應該有助于擴大每個時間尺度上的努力所帶來的決策空間，而不是僅僅在任務期間。

• 組織視角：國防部的C3架構不是在真空中存在的。各組織的人員必須通過戰略、工業、作戰和戰術時空的流程來運用這些架構。可選性是在以決策為中心的戰爭中獲得優勢的關鍵，但如果僅僅是派出一支更分散的部隊和使用它的工具，如果這支部隊的使用方式很狹窄，為每個單獨的行動提供最高的成功概率，那么只能稍微增加美軍的復雜性和適應性。需要決策組織和程序，盡可能長時間地擴大指揮官的選擇空間。

今天的戰斗指揮官（CCDR）參謀部缺乏組織和程序，無法為即將到來的任務以各種不同的配置組合部隊。為了能夠在任務時間內組成部隊，國防部可以采用類似于將計算機程序編譯成可執行代碼的方法。軟件指令是用較高層次的計算機語言編寫的，但在軟件被計算機處理器執行之前，需要將其轉換成二進制形式。這種方法將從決策支持系統的COA開始，然后組合適當的單位來支持行動。雖然部隊構成主要是以硬件為中心，但也需要在技術棧的信息層和網絡層進行部隊包的軟件構成。

圖：從人工構成到決策中心戰的任務整合浪潮

結語

美軍將需要采用新的部隊設計和C2流程，以實現以決策為中心的戰爭，但如果不與工具和組織結合起來，以充分利用使用人類指揮和機器控制的更分散的部隊中可能存在的可選性，這些努力將付諸東流。

目前國防部通過CJADC2和相關的作戰概念努力使美軍向更分散的組織和更分散的能力發展，這是實現更以決策為中心的軍事行動方法的重要一步。高級戰斗管理系統（ABMS）和DARPA的幾個項目正在開發C2工具和流程，這些工具和流程將增加指揮官使用這些更分布式部隊的可選性。國防部的部隊設計變革或C3舉措將需要更進一步，以便美軍在面對已經躍升到以決策為中心的戰爭并擁有主場優勢的同行對手時保持可選擇性優勢。

也許更重要的是，將需要新的組織和程序，使CCDR能夠在戰區組成和整合分散的部隊，并改變國防部定義需求和發展新能力的方式。如果不對國防部的需求和部隊發展程序進行重大改革，美軍就有可能在爭奪決策優勢的競爭中落后于對手，從而威脅到其保護美國利益和盟友免受大國侵略的能力。

（參考來源：軍事文摘作者：張傳良）

【作 者】

Michal Krelina

1 捷克技術大學核科學與物理工程學院；

2 Quantum Phi s.r.o.公司。專注于量子技術的知識、原理、學術研究、工業及其應用，重點是在國防、空間和安全領域的應用。

【關鍵詞】

量子戰爭、量子技術、量子計算、量子遙感、量子網絡、量子雷達、量子成像、軍事應用、量子安全、軍民兩用技術

【摘 要】

量子技術是一門新興且具有潛在破壞性的學科，能夠影響許多人類活動。量子技術是兩用技術，因此對國防和安全行業以及軍事和政府行為者很感興趣。本報告回顧并描繪了可能的量子技術軍事應用，作為國際和平與安全評估、倫理研究、軍事和政府政策、戰略和決策制定的切入點。用于軍事應用的量子技術引入了新的能力，提高了效率和精度，從而導致了“量子戰爭”，其中應該建立新的軍事戰略、學說、政策和倫理。本文提供了正在開發的量子技術的基本概述，還估計預期的交付時間范圍或利用率影響。描述了量子技術在各種戰爭領域（例如陸地、空中、太空、電子、網絡和水下戰爭以及ISTAR——情報、監視、目標獲取和偵察）的特定軍事應用，并闡明了相關的問題和挑戰。

圖1 利用各種量子技術系統的量子戰示意圖

1 引 言

盡管第四代現代戰爭的特點是分散化和國家對戰爭失去壟斷[1,2]，但先進國家軍隊的特點是可以使用最先進的軍事技術。這包括即將出現的量子技術。

量子技術(QT)一詞指的是主要源于所謂的第二次量子革命的技術。早些時候，第一次量子革命帶來了我們今天所熟悉的技術，例如核能、半導體、激光、磁共振成像、現代通信技術或數碼相機等成像設備。第一個量子技術產生了核武器和能源；然后，經典計算機發揮了重要作用。目前，激光武器正在實施和測試[3]。

第二次量子革命[4]的特點是操縱和控制單個量子系統（如原子、離子、電子、光子、分子或各種準粒子），允許達到標準量子極限；也就是說，在量子尺度上測量精度的極限。在本報告中，量子技術一詞指的是來自第二次量子革命的技術。量子技術不會帶來根本上的新武器或獨立的軍事系統，而是顯著提高當前和未來軍事技術的測量能力、傳感、精度和計算能力以及效率。大多數量子技術通常是雙重用途的技術。因此，量子技術的軍事應用潛力巨大。各種研究和建議不斷涌現，表明實現這種技術的可能性越來越大；例如，參見[5-8]。

本報告提供了一個更深入的背景來理解“量子戰”這個術語，討論了它影響情報、安全和國防部門的可能性，并描述了新的可能的能力或改進。目標不是提供基于量子技術的精確預測，而是展示實施和應用的可能方向和趨勢。量子技術通常被認為是新興技術，具有改變戰爭行為和戰斗結果的潛力[8]。盡管當前的量子技術大多具有較低的技術就緒水平(TRL)，但它們被認為具有顛覆性潛力[9]。繪制量子技術可想象的軍事應用對于進一步評估對全球和平的威脅以及討論道德政策或基于量子的預防性軍備控制也很重要。

本報告共分八節。在第2節中，定義了量子技術和量子戰爭的術語，介紹了量子技術的分類和量子技術。第3節提供了基本的量子技術概述，它是特定應用的基礎，包括預期的部署時間和使用影響。第4節介紹了量子技術在軍事領域的發展和部署的一般考慮和期望。在第5節中，單個量子技術在軍事上的應用被介紹到不同的領域(如網絡、水下、空間和電子戰)。第6節確定并討論量子炒作以及現實的可能性。第7節初步討論了有關的軍事、和平和道德方面以及技術后果和挑戰。第8節對本文進行總結。

第5節和第4節涉及國家安全和國防問題。雖然第3節是基于最先進的研究并提供了相關的參考資料，但第5節更多地是基于各種軍事或政府報告、政策簡報和國際安全分析，如[5-8,10-13]。在這里，讀者應該警惕圍繞量子技術的炒作，避免夸大的期望;這方面在第6節和[14]中有論述。對于目前提出的許多量子技術軍事應用來說，與高端軍事技術需求相關的所有挑戰是否會得到解決，甚至該技術是否會被實際部署，都是不確定的。

2 定 義

量子技術一詞的定義如下：

量子技術（QT）是一個新興的物理和工程領域，基于量子力學特性——特別是量子糾纏、量子疊加和量子隧道效應——應用于單個量子系統，并將它們用于實際應用。

從定義來看，量子技術描述了量子力學系統的各種物理原理，具有眾多應用；例如，捕獲離子技術可以用作量子計算機的量子比特，也可以用作磁場或量子鐘的量子傳感器。

兩用技術是指在國防和商業生產中具有潛在應用的研究和開發領域[15]。

量子技術是一種典型的兩用技術，不僅對軍隊而且對政府行為者[16]和維和組織都具有相當大的興趣。

量子戰（QW）是將量子技術用于影響所有戰爭領域的情報、安全和防御能力的軍事應用的戰爭，它帶來了新的軍事戰略、學說、情景與和平以及倫理問題。

也有人嘗試將量子域[17]定義為戰爭的新域。然而，在本文中，我們將把量子技術視為改進所有當前定義的領域的一個因素，而不是作為一個獨立的戰爭領域。

隨后，定義術語量子攻擊是有幫助的，它指的是使用量子技術來破壞、破壞或竊聽經典或量子安全系統。典型的例子是使用量子密鑰分發竊聽或破壞Rivest-Shamir-Adleman (RSA) 加密方案的量子計算機。 盡管有大量的QT文獻，但對量子技術分類沒有明確的共識。我們將使用以下分類法：

• 量子計算與模擬

量子計算機(數字和模擬量子計算機及其應用，如量子系統仿真、量子優化)

量子仿真器(非可編程量子電路)

• 量子通信與密碼學

量子網絡與通信(量子網絡單元、量子密鑰分配、量子通信)

后量子密碼學(量子彈性算法、量子隨機數發生器)

• 量子傳感與計量

量子傳感(量子磁力計、重力儀)

量子計時(精確時間測量與分配)

量子成像(量子雷達、低信噪比成像)

除了上述一般的量子技術分類，我們介紹了一個新的分類量子技術根據他們的利益和用途。下面的分類可以概括為:然而，我們更重視軍事應用。量子技術利用影響的分類如下:

• 必須性:必須實施的量子技術，以防止未來的量子攻擊(例如后量子密碼);

• 有效性:提高當前技術和方法有效性的量子技術(如量子優化、量子機器學習或人工智能);

• 精度:提高當前測量技術(如量子磁強、量子重力、量子慣性導航、授時)精度的量子技術;

• 新能力:量子技術提供了超出現有技術范圍的新能力(如量子雷達、量子化學模擬、量子密碼分析、量子密鑰分配)。

請注意，這種分類不是互斥的。

3 量子技術概述

本節提供了量子技術的基本描述以及相關參考資料。對于每種量子技術，都會顯示當前的開發狀態、確定的利用影響、估計的預期部署時間、并概述了主要挑戰。對于量子計算應用，提供了所需邏輯量子比特的大致數量。

不同的量子技術及其應用處于不同的TRL從TRL 1（例如，某些類型的量子比特）到TRL 8（例如，量子密鑰分發）。

我們在此不追求完整性，也不提供任何理論背景，而只是根據討論的軍事應用的需要介紹基礎知識、效果和當前的發展狀態。

3.1 量子信息科學

量子信息科學（QIS）是與量子物理學相關的信息科學，處理量子信息。在經典信息科學中，信息的基本載體是只能為0或1的比特。信息的量子信息基本載體是量子比特，簡稱量子比特。一個量子比特可以|0?要么|1?，或狀態的任意復雜線性組合|0?和|1?稱為量子疊加。

另一個關鍵特性是量子糾纏。量子糾纏是指兩個或多個量子位（或通常是兩個或多個量子系統）之間的強相關性，沒有經典的類似物。量子糾纏是造成許多量子意外的原因。另一個特點是不可克隆定理[18]，它說量子信息（量子比特）不能被復制。該定理對量子比特糾錯以及量子通信安全具有深遠的影響。

量子信息科學描述了量子計算和量子通信中的量子信息流，盡管在更廣泛的意義上它可以應用于量子傳感和計量學，參見[19,20]。

有相當大的學術興趣，并且已經創建了幾種量子算法[21]。然而，預計只有少數對國防和安全應用有價值。

3.2 量子計算

• 現狀:商業上可用的物理量子位數量非常有限

• 使用影響:新的能力，有效性，精確度

• 時間線預期:10年100萬個物理量子位元

• 主要挑戰:提高量子位的質量(相干性，抗錯誤性，門保真度)，提升量子位的數量，邏輯量子位

量子計算是指利用量子信息科學進行計算。這樣的機器可以稱為量子計算機。量子計算機的分類可能非常復雜。為本報告的目的，我們將分類簡化如下：

• 數字量子計算機（也稱為門級量子計算機）是通用的、可編程的，應該執行所有可能的量子算法，并具有如下所述的眾多應用。經典計算機可以完全模擬基于門級的量子計算機。區別在于資源和速度。例如，完全糾纏的量子比特的模擬成倍地增加了對經典資源的需求。這意味著在經典（超級）計算機上幾乎不可能模擬?45個量子位。

• 模擬量子計算機（也稱為哈密頓計算）通常使用量子退火（作為絕熱量子計算的噪聲版本）來實現。量子退火器與數字量子計算機的不同之處在于量子比特的有限連接性和不同的原理。因此，模擬量子計算機的使用受到更多限制，但仍適用于量子優化或基于哈密頓量的模擬等任務。

• 量子模擬器用于研究和模擬通常不太容易訪問的其他量子系統，并且通常被構建為單一用途的機器。與量子計算機相比，量子模擬器可以想象成一個不可編程的量子電路。

一般來說，量子計算不會取代經典計算。量子計算機僅適用于有限類型的問題，通常是高度復雜的問題。量子計算應用的實際部署取決于質量（相干性、抗錯性、門保真度）和量子比特的數量。要遵循的一些基本參數是：量子比特的數量、量子比特相干時間、量子門保真度和量子比特互連。在單個量子位上應用量子門的一組量子指令稱為量子電路。量子電路是量子算法的實際實現。

繼[7]之后，量子計算機可以分為三個演化階段：分量量子計算（CQC）、噪聲中等規模量子（NISQ）計算和容錯量子計算（FTQC）。CQC階段涵蓋量子計算示范和成熟的基本要素。CQC的計算能力非常有限，足以證明一些原理證明。NISQ階段的量子計算機應該有足夠數量的量子比特來展示量子計算的優勢。持續的研究應該會導致增加量子比特的數量和質量。當達到完美的邏輯量子位時，FTQC階段開始（解釋見下文）。

物理量子比特可以通過許多量子系統來實現。最新的先進技術是基于超導量子位和處于或接近NISQ階段的俘獲離子量子位的量子計算機。所有其他技術，例如冷原子、拓撲、電子自旋、光子或基于NV中心的量子比特，仍處于CQC階段或僅理論階段。各個量子計算機及其性能顯著不同（例如速度、相干時間、糾纏所有量子比特的可能性、門保真度）。已經開發了各種指標和基準，例如Quantum Volume指標[22]，用于比較。

所有類型的量子比特都存在的問題是它們的質量。量子比特非常脆弱，相干時間有限（不會丟失量子信息的時間尺度）。在量子位上執行的每個操作都具有有限的保真度。因此，研究人員需要使用糾錯碼。量子比特的糾錯比經典比特的糾錯復雜得多，因為量子比特不能被復制，正如不可克隆定理所解釋的那樣。區分了兩種類型的量子比特：由物理量子系統實現的物理量子比特和由若干物理量子比特和糾錯碼組成的邏輯量子比特。邏輯量子比特是完美或近乎完美的量子比特，具有非常長到無窮大的相干時間、非常高的保真度和更高的環境電阻率。例如，[23]將需要。有關量子計算的最新概述，請參見例如[24]。

前沿量子計算機的例子是由谷歌制造的具有53個物理超導量子比特的量子計算機（該公司在2019年聲稱擁有量子霸權[25]），以及由IBM制造的量子計算機。最好的離子阱量子計算機是IonQ的32個量子位或霍尼韋爾的6個量子位。就光子量子比特而言，Xanadu有一臺24量子比特的量子計算機。IBM和Google的量子計算路線圖所設想的預期時間表如下：IBM 計劃在2022年推出433量子比特的量子處理器，到2023年推出1121量子比特[26]。谷歌宣布了一項計劃，以達到10,000個量子比特的量子模塊。到2029年，所有其他量子處理器將包含多達100萬個量子比特的此類模塊[27]。根據對量子科學和技術關鍵相關領域領導者的調查，量子計算機很可能會開始變得強大到足以對大多數公鑰加密方案構成威脅（有關更多詳細信息，請參見3.2.2) 在大約20年內[28]。模擬量子計算機的例子是D-Wave Systems的具有超過5000個量子位的量子退火器和東芝的相干伊辛機。

模擬和數字量子計算機的區別在于它們不同的物理原理和局限性。數字量子計算機受資源限制，不受噪聲限制（可以使用更多資源來校正噪聲）。相比之下，模擬量子計算機受到難以理解、控制和表征的噪聲的限制（尤其是對于量子退火器）。因此，模擬量子計算機的適用性受到限制[24]。

在現實中，量子計算機完成的任務大多只是經典計算機程序的子程序或子程序。經典程序不僅會控制量子計算機，還會提供大量在量子計算機上執行是不切實際的計算。這包括最近使用量子模擬在化學中的應用，例如，變分量子特征求解器(VQE)[29]，這是經典計算和量子計算的混合組合。此外，量子計算機是大型機器，其中許多需要低溫技術。因此，在未來幾十年中，大多數客戶不太可能購買個人量子計算機，而是將這些作為云服務訪問。基于云的量子計算模型（通常稱為量子計算即服務- QCaaS）如今已在商業上可用，甚至是免費的，它們允許任何對量子計算感興趣的人訪問。對量子計算機的云訪問由各個量子硬件制造商提供。某些平臺，例如Microsoft Azure Quantum或Amazon Braket，可以在一個生態系統中訪問各種制造商的量子計算機。

澄清量子霸權、優勢和實用性的術語也很有幫助。量子霸權是指量子計算機解決特定問題的速度明顯快于經典計算機的情況。然而，這個問題很可能是理論上的而不是實際的。量子優勢是指量子計算機能夠解決經典計算機無法解決的現實問題的情況。量子實用性類似于量子優勢，唯一的區別是量子計算機比經典計算機更快地解決現實世界的問題。

我們在下面提供了可能的量子計算機應用的基本概述。讀者應該記住，量子計算是一個快速發展的領域，新的革命性量子算法仍在等待被發現。請注意，在量子計算應用的上下文中，術語“量子位”意味著一個邏輯量子位。然而，小型量子電路可以僅使用物理量子位運行，并且具有合理的精度。

3.2.1 量子模擬

• 狀態：開發中的算法，小規模應用

• 使用影響：新能力（例如量子化學計算）

• 時間線預期：短期，可用性隨著量子比特的數量而增加

• Qubits 要求：～200（例如用于固氮問題）

• 主要挑戰：邏輯量子比特的數量

早在第一臺量子計算機誕生之前，量子計算機的主要任務就被認為是模擬其他量子系統[30]。分子就是這樣一個量子系統。盡管現有的計算能力有所提高，但可以使用當前的計算化學或以許多近似和簡化為代價對較大分子進行僅簡單分子的完全模擬。例如，對于具有n 個電子的系統，經典計算機需要位來描述電子的狀態，而量子計算機只需要n個量子位。因此，量子模擬是量子計算機的第一個應用，也可能是最有前途的應用。

最主要的方法有兩種：量子相位估計[31]和量子變分技術(VQE)[32,33]。特別是后一種方法在NISQ計算機上成功的可能性最高。例如，在2020年，谷歌進行了迄今為止最大的量子化學模擬（使用VQE的H12分子）[34]。

正在開發用于量子化學模擬的算法。它們可以應用于更復雜的模擬，與量子比特的數量密切相關。因此，即使在量子計算的早期階段，化學和制藥行業也很感興趣。一般來說，這種模擬允許發現和設計新的藥物、化學品和材料。例如，最近考慮的主題是高溫超導、更好的電池、蛋白質折疊、固氮和肽研究。

3.2.2 量子密碼分析

• 狀態：算法準備就緒

• 使用影響：新功能（例如公鑰密碼方案破壞）

• 時間表預期：中長期

• 量子位要求：~ 6200用于2048位RSA因式分解[35]，~ 2900用于256位ECDLP-based加密[36]

• 主要挑戰：邏輯量子比特的數量

最著名的量子計算機應用之一是通過Shor算法[37]描述的指數加速對大素數進行因式分解。這對RSA、DH和ECC等公鑰密碼方案構成威脅，基于大素數乘法、離散對數問題或基于橢圓曲線離散對數問題的模式，這些模式被認為在經典計算機上難以計算或非常困難。

盡管現有NISQ量子計算機的資源遠不能滿足RSA破解所需，但威脅是真實存在的。對手或外國情報可以攔截和存儲加密流量，直到量子密碼分析可用。由于許多機密的解密時間遠遠超出了強大的量子計算機交付的預期時間表，因此如今這種威脅可以被認為是真實的。

量子密碼分析還為對對稱加密方案的暴力攻擊提供了改進的工具。例如，著名的Grover 搜索算法[38]將密鑰安全性降低了一半以對抗暴力攻擊；256位AES在大約2128次量子操作中，可以通過蠻力解決5個密鑰。盡管量子計算機需要大量資源，但建議將對稱密鑰長度加倍[39]。此外，Simon算法和疊加查詢[40]可以完全破解大多數消息認證碼(MAC)和關聯數據的認證加密(AEAD)，例如HMAC-CBC和AES-GCM [41、42]。

此外，基于對稱密碼系統中存在的結構，對對稱密鑰系統的密碼分析攻擊進行了積極的研究，它可以提供高達超多項式的加速[43]。然而，這些算法對量子計算機的資源要求過高。

3.2.3 量子搜索和量子行走

• 狀態：正在開發的算法
• 使用影響：有效性（例如更快的搜索）
• 時間表預期：短期至中期
• Qubits 要求：～100，取決于搜索的系統大小
• 主要挑戰：邏輯量子比特的數量

最著名的搜索量子算法之一是Grover算法[38]，它在數據庫搜索或反演函數中提供二次加速。對于未排序的列表或數據庫，經典的搜索算法是關于復雜度（意思是與N個實體的數量成正比），雖然 Grover 的算法大約是

量子搜索算法是所謂的大數據（非結構化數據）分析的一個重要課題。處理大量數據需要大容量的量子存儲器。然而，沒有可靠的量子存儲器可以將量子信息保持任意長時間和大量。其次，將經典數據轉換為量子形式既耗時又無效。因此，目前只有對算法生成的數據進行搜索才被認為是可行的。 另一種搜索方法可以基于量子隨機游走機制[44]，它提供與Grover算法類似的加速。

3.2.4 量子優化

• 狀態：開發中的算法

• 利用率影響：有效性（例如更快地解決 NP 問題）

• 時間表預期：短期至中期

• Qubits 要求：～100，取決于問題的復雜性

• 主要挑戰：邏輯量子比特的數量

考慮到解決NP級別的可能性，量子優化是一個非常積極探索的話題復雜的問題。這種 NP問題的一個例子是旅行商問題。在這里，給定一個地點列表和它們之間的距離，目標是找到最短（和最佳）的路線。天真地，人們可以嘗試所有可能性，但這種方法有嚴重的缺點，甚至可能變得不可能，而且復雜性越來越高。因此，最常見的解決方案是基于啟發式算法，這些算法不一定能找到最佳解決方案，但至少可以找到一個接近它的解決方案。

量子計算為這個問題引入了一個新的視角，并提供了不同的方法和技術。目前最主要的方法是基于變分方法，例如量子近似優化算法(QAOA) [45]。QAOA的一部分是稱為二次無約束二進制優化(QUBO)[46]的子技術，它也適用于模擬量子計算機。其他方法是，例如，最小二乘擬合的量子類比[47]或半定規劃[48]。 到目前為止，尚不清楚量子優化是否會比經典的啟發式方法提供一些加速。然而，人們一致認為，如果可以實現一些加速，它不會超過多項式[48]。量子計算引入的新范式導致了新的受量子啟發的經典算法，例如在QAOA[49]的情況下刪除了量子加速。另一方面，我們可以談論量子啟發算法作為第一個量子計算實際結果。

已經有許多關于量子優化的演示、用例和概念證明，特別是與模擬量子計算相關，目前為此類應用提供最多的量子計算資源。典型的演示是對交通、物流或金融部門的優化。

3.2.5 量子線性代數

• 狀態：開發中的算法

• 利用率：有效性（例如更快的線性方程求解）

• 時間表預期：短期至中期

• 量子位要求：取決于解決的系統大小

• 主要挑戰：邏輯量子比特的數量

已經表明，量子計算機在求解線性方程時也可以達到超多項式加速。這種加速估計尤其適用于稀疏矩陣的HHL(Harrow-Hassidim-Lloyd)[50]算法。但是，估計的加速取決于問題（矩陣）的大小。也有大量的資源需求，這對于某些問題可能被認為太不切實際[51]。另一方面，例如對于10,000個參數的線性方程組，需要10,000步來求解它，而HHL可以在13步之后提供近似解。

目前，規劃、工程、建筑和天氣預報中的許多數值模擬將復雜問題簡化為大量線性方程組。對于他們中的許多人來說，本質上是統計的，近似的解決方案可能就足夠了。

請注意，HHL算法在量子計算中被證明是通用的，并且被證明可用于各種應用，例如k均值聚類、支持向量機、數據擬合等。有關更多詳細信息，請參閱[52]。

處理大量輸入數據的量子算法的主要警告之一是數據加載。經典數據，尤其是二進制數據或比特，需要通過高效的量子算法轉換成量子態進行后續處理。這個過程很慢，并且經典數據加載本身可能需要比連貫時間更長的時間。解決方案是量子存儲器或量子RAM[52,53]。

3.2.6 量子機器學習和人工智能

• 狀態：開發中的算法
• 利用率影響：有效性（例如更好的機器學習優化）
• 時間表預期：短期至中期
• Qubits 要求：～100，取決于問題的復雜性
• 主要挑戰：邏輯量子比特的數量

由于圍繞經典機器學習和人工智能 (ML/AI) 的炒作，可以預期也會有關于這個主題的量子研究。首先，請注意，考慮到處理經典數據的效率非常低 [54]，人們不能指望全量子 ML/AI，如果缺少量子存儲器以及經典數據（例如圖片數據）的加載和編碼速度非常慢，則更是如此) 轉換成量子信息格式。這根本不實用。當機器學習/人工智能應用于量子數據時，會出現另一種情況；例如，來自量子傳感器或成像 [55]。

盡管如此，可以引入量子增強的ML/AI [56,57]，其中量子計算可以改進一些機器學習任務，例如量子采樣、線性代數（其中機器學習是關于高維線性中復雜向量的處理）空間）或量子神經網絡[54]。一個例子是量子支持向量機[58]。

事實上，ML/AI 主題涵蓋了各種技術和方法，與量子計算沒有什么不同。量子機器學習/人工智能或量子增強機器學習/人工智能是當今許多研究工作的主題。有關量子ML/AI算法及其可能的加速的調查，請參閱[59]。

3.3 量子通信和密碼學

量子通信是指通過使用光纖或自由空間通道的量子網絡進行的量子信息交換。大多數情況下，量子通信是使用光子作為量子信息載體來實現的。然而，由于光子的限制，例如遠距離損失，量子網絡包含其他元素，例如量子中繼器或量子開關。

量子密碼學的目標是用量子密鑰分發的抗量子算法取代傳統的（主要是非對稱的）加密方案。用于量子通信的典型量子特征如下：量子糾纏、量子不確定性以及指出量子信息無法復制的非克隆理論[18,60]。

3.3.1 量子網絡

• 狀態：研究中（僅可用于具有可信節點的QKD）

• 使用影響：新功能、有效性（例如超安全通信、量子彈性密碼學）

• 時間表預期：中期

• 主要挑戰：量子中繼器和開關（量子存儲器）

量子網絡（有時稱為量子互聯網[61]或量子信息網絡(QIN)）的目的是通過多種技術跨各種渠道傳輸量子信息。量子信息（量子比特）通常由單個光子攜帶，因此量子信息傳輸是脆弱的。此外，許多量子網絡應用依賴于量子糾纏。

量子信息傳輸的常用通道是專用的低損耗光纖或當前具有較高損耗的電信光纖基礎設施。兩個相互靠近的通信端點的情況就像使用一根光纖一樣簡單。網絡的復雜性隨著更多的終端節點或更大的距離而增加，其中需要諸如量子中繼器或量子開關之類的組件。請注意，對于大多數量子網絡應用來說，非常適中的（一個量子比特）量子處理器就足夠了。

自由空間量子通道更具挑戰性。由于強烈的大氣衰減，光學或近光學光子在大氣中的效用有限。因此，最普遍考慮和實現的量子網絡場景是使用量子衛星[62,63]。衛星的優勢在于可以利用光光子通信傳輸量子信息，其中衛星-地面鏈路中的損耗低于相距較遠的兩個地面節點之間的損耗。然而，短距離自由空間通道中的光子通信可以使用無人機等來實現[64]。最好的方法是使用經典無線通信所采用的微波頻譜。然而，在單個光子水平上使用微波光譜的通信更具挑戰性[65]。微波單光子技術在產生和檢測單個光子方面難度更大。另一個問題是微波頻段的嘈雜環境。

由于光子損失和退相干，長距離的量子通信需要量子中繼器。量子中繼器是一個中間節點，其工作方式類似于經典光網絡中的放大器，但需要遵守不可克隆定理。事實上，量子中繼器允許糾纏端節點的量子比特。當兩個末端節點糾纏在一起時，量子隱形傳態的效果[66] 可以被利用。這意味著可以在沒有物理發送光子的情況下傳送量子信息；只需要經典的通信。利用量子糾纏，量子信息可以流過一個量子網絡或其中的一部分，甚至可以被竊聽者控制，而沒有任何機會泄露傳輸的量子信息。為了量子中繼器的正確運行，需要量子存儲器。然而，目前還沒有可靠實用的量子存儲器可用。

作為中間步驟，可以使用受信任的中繼器。可信中繼器不會糾纏終端節點，僅用于量子密鑰分發（QKD，參見下一節，3.3.2）。為了想象它是如何工作的，讓我們考慮兩方A和B以及一個受信任的中繼器R。然后用密鑰對密鑰進行加密。可信中繼器R對進行解密，得到。此時，受信任的中繼者R知道密鑰, A和B必須相信密鑰是安全的，不受竊聽者的控制。最后，R使用密鑰對重新加密，并將其發送給B。這是目前QKD網絡中使用的一種技術。

目前在實驗中測試的下一步是獨立于測量設備的QKD(MDI-QKD)[67,68]。它是一種量子協議，不僅可以用安全的中繼器代替受信任的中繼器（仍然不是量子，不支持糾纏），而且還可以用作交換機。這意味著可以開始構建通常的星形網絡拓撲和基礎設施。請注意，在 MDI-QKD網絡中，對中心節點的攻擊在物理上不能泄露密鑰，也不能泄露敏感信息。之后，中心節點將被量子交換機和中繼器取代，實現功能齊全的量子信息網絡。

量子網絡將與經典網絡并行工作，因為并非所有傳輸的信息都需要在量子信息中進行編碼。事實上，例如，量子隱形傳態需要并行經典網絡。量子網絡可用于以下應用：

• 量子密鑰分發（QKD），一種加密密鑰的安全傳輸（參見第3.3.2節）；

• 量子計算機或量子計算集群之間的遠距離量子信息傳輸或遠程量子能力共享；

• 盲量子計算[69,70]允許將量子算法傳輸到量子計算機、執行計算和檢索結果，而無需所有者或竊聽者知道算法或結果是什么；

• 網絡時鐘同步[71]，見第3節3.4.2；

• 安全識別[72]允許在不泄露身份驗證憑證的情況下進行識別；

• 量子位置驗證[73]允許驗證對方的位置；

• 用于多臺量子計算機的分布式量子計算[74,75]，允許將任務作為一臺量子計算機進行計算；

• 涉及所謂拜占庭協議的共識和協議任務（盡管有對手的干預，組對一個輸出的決定問題）。與經典復雜度相比，量子版本[76]可以在復雜度上達成一致。

• 糾纏傳感器網絡[77,78]允許提高傳感器的靈敏度并減少錯誤，并評估全局屬性，而不是收集有關系統特定部分的數據。

量子網絡允許量子計算機之間直接安全的量子通信，其中可以直接交換量子數據。這對于根據單個量子計算機性能有效地重新分配計算任務很有用，主要是當一個巨大的任務可以分成更小的任務時。另一種情況是量子云，其中量子數據可以在多臺量子計算機之間共享。此外，是否有可能構建一臺獨立的高性能量子計算機是值得懷疑的。這種實現更有可能通過分布式量子計算[74,75]，其中許多量子計算機將通過量子網絡連接。

3.3.2 量子密鑰分發

• 狀態：商業可用（帶有可信賴的中繼器）

• 使用：新能力時間線

• 預期：短期

• 主要挑戰：安全的量子中繼器（量子存儲器）、物理硬件的安全認證

量子密鑰分發（QKD）是量子通信最成熟的應用。目標是在兩方或多方之間為通過經典渠道分發的加密數據分發密鑰。由于不可克隆定理，任何竊聽者都必須執行通信方可檢測到的測量。

協議的主要類別有兩種：一種基于BB84 (Bennett-Brassard 1984) 協議[79]，另一種基于 E91 (Ekert 1991) 協議[80]。占主導地位的BB84協議在技術上更簡單，但需要生成量子隨機數（參見 第3.3.4節），并且提供方必須在分發之前準備密鑰。E91協議利用量子糾纏在分發過程中生成密鑰，各方同時知道密鑰。在該協議中，不需要量子隨機數生成器。然而，量子糾纏的技術解決方案更具挑戰性。這兩類協議在信息理論上都是安全的。

理論上，QKD 在傳輸過程中是不可穿透的。然而，典型的攻擊向量可能集中在最終（接收器/發送器）或中間節點，其中軟件層的硬件可能包含漏洞，例如控制軟件中的錯誤、不完美的單光子源、各方驗證問題等。這是一個非常活躍的研究領域。例如，不完善的物理硬件可能被所謂的光子數分裂[81]或特洛伊木馬[82]攻擊濫用。在這里，硬件和軟件的安全認證是必要的，并且需要時間。

除了受信任的中繼器之外，另一個弱點是量子比特傳輸速率，它太慢而無法分發長密鑰。新的單光子源的高傳輸率可以解決這個問題。

目前，QKD技術可作為短距離的點對點連接或在遠距離使用可信中繼器進行商用。值得信賴的中繼器可以是一顆太空衛星，正如中國所證明的那樣[62,63]。

3.3.3 后量子密碼學

• 狀態：算法準備就緒

• 使用影響：必須有

• 時間線預期：短期

• 主要挑戰：標準化、實施

后量子密碼學（有時稱為量子證明、量子安全或抗量子密碼學）代表了一個應該能夠抵抗未來量子計算機攻擊的加密技術領域。目前，對于大多數使用公鑰技術的非對稱加密來說，情況并非如此。另一方面，大多數對稱密碼算法和散列函數被認為相對安全，可以抵御量子計算機的攻擊[83]。盡管如此，建議將對稱密鑰長度加倍[39]。

現在，有幾種方法被認為是抗量子的。例如，基于格的密碼學[84]、超奇異橢圓曲線同源密碼學[85]、基于哈希的[86]密碼學、基于多變量的[87]密碼學、基于代碼的密碼學[88] 和對稱密鑰量子抗性。

與QKD不同，從數學角度來看，所有這些算法都不能證明是安全的。因此，在標準化過程中，所有這些算法都經過嚴格的測試和分析，包括實施。在最壞的情況下，經典計算機 [89]可以破解在實現中存在錯誤的抗量子算法。最受關注的標準化過程是美國國家標準與技術研究院(NIST)的標準化過程。標準化進程在第三輪[90]，有三名決賽選手（基于格、基于代碼和多變量的算法）和幾個備選候選者。NIST 標準化過程預計將于 2023-24 年結束。無論如何，現在越來越多的商業供應商正在提供新的抗量子加密解決方案。

3.3.4 量子隨機數發生器

• 狀態：市售

• 使用影響：新功能（真正的隨機數生成）

• 時間線預期：短期

• 主要挑戰：提高比特率

隨機數生成器 (RNG) 對于許多應用程序來說都是必不可少的，例如蒙特卡洛模擬和集成、加密操作、統計和計算機游戲。然而，經典計算機中的RNG，因為它是確定性的，并不是真正隨機的，被稱為偽隨機數生成。但是，對于許多應用程序，偽RNG就足夠了。

另一方面，生成強密鑰是安全的基石，只有真正隨機的RNG才能實現。一種解決方案是基于硬件的量子隨機數生成器(QRNG)。此外，QRNG是基于BB84的QKD協議的關鍵部分，可證明是安全的。

QRNG可用于任何密碼學，并使所有密碼學變得更好。QRNG的優點之一是它可以被驗證和認證[91]，這與任何其他RNG不同。

3.4 量子傳感和計量

量子傳感和計量是最成熟的量子技術領域，它改進了時序、傳感或成像。例如，來自第一次量子革命的原子鐘已成為全球定位系統(GPS)的一部分近半個世紀。當前的量子時鐘正在提出更高的時間測量精度。

量子傳感代表所有測量各種物理變量的量子技術，例如外部磁場或電場、重力梯度、加速度和旋轉。量子傳感器可以產生關于電信號、磁異常和慣性導航的非常精確的信息。

量子成像是利用光子相關性的量子光學的一個子領域，可以抑制噪聲并提高想象物體的分辨率。量子成像協議被考慮用于量子雷達、在不透光環境中檢測物體和醫學成像。

量子傳感和計量技術依賴于以下一項或多項特征：量子能級、量子相干性和量子糾纏[92]。單個量子傳感器具有隨應用而變化的各種指標。常用指標是：靈敏度（在1秒積分時間后給出統一信噪比的信號）、動態范圍（最小和最大可檢測信號）、采樣率（對信號進行采樣的頻率）、工作溫度、等。衍生的關鍵指標包括，例如，一定距離的空間分辨率和達到指定靈敏度所需的時間。典型的測量量是磁場和電場、旋轉、時間、力、溫度和光子計數。

3.4.1 量子電、磁和慣性力傳感

• 狀態：實驗室原型

• 使用影響：精度、新能力

• 時間表預期：短期到長期

• 主要挑戰：小型化、冷卻

許多傳感量子技術是通用的，可以測量各種物理量。每種技術的詳細描述超出了本報告的范圍；但是，提供了一個基本概述。許多應用包括各種量子技術。例如，量子慣性導航包括三種類型的傳感：加速度、旋轉和時間。一般來說，許多應用都需要精確的基于量子的定時，而不僅僅是量子技術。有關量子計時，請參閱第3節。3.4.2最有前途的技術是：原子蒸氣、冷原子干涉、氮空位中心、超導電路和俘獲離子。

冷原子干涉儀（測量量：磁場、慣性力、時間）。在非常低的溫度下冷卻的原子表現出類似波浪的行為，并且對與其質量相互作用的所有力都很敏感。在干涉圖案中觀察到變化 [5,92,93]。特定的實現可以是拉曼原子干涉法、原子布洛赫振蕩或其他形式[94–96]。例如，在重力測量中，基于量子的重力儀有可能達到大約幾個數量級的精度[5]比最好的經典同行。這種精確的重力儀可以非常詳細地繪制地球表面和地下的地圖，分辨率達到厘米級。在慣性導航方面，振動晶格干涉儀有可能克服最先進的原子干涉儀技術的缺點，可以同時用作加速度計和陀螺儀[97]。仍然存在一些挑戰。一些最大的挑戰是將量子傳感器集成到一個量子慣性測量單元中，用于冷卻原子并同時保持相干性（抑制與噪聲環境的相互作用）的激光冷卻裝置的小型化，或動態范圍實驗室外的冷原子傳感器。然而，在這一領域也可以找到顯著的進步，例如[98]。回顧見[99]。

俘獲離子（測量量：電場和磁場、慣性力、時間）。俘獲離子是最通用的傳感平臺之一 [100–102]。控制良好的俘獲離子形成具有量化運動模式的晶體。任何干擾都可以通過這些模式之間的轉換來測量。單個捕獲的離子可以作為時間的精確測量或作為量子計算機中的量子比特。對于慣性導航，1、2和3維陣列中捕獲的冷原子的光學晶格技術可能提供亞厘米級的尺寸。除了可以測量重力和慣性參數外，它還可以測量卡西米爾力或范德華力。最近，使用量子糾纏的俘獲離子，電場測量的靈敏度已達到，這比經典對應物好幾個數量級。

氮空位 (NV) 中心（測量量：電場和磁場、旋轉、溫度、壓力）。金剛石晶體中的氮空位中心作為與外部磁場耦合的電子自旋量子比特起作用。此外，使用Berry相位的帶負電的 NV中心可以測量旋轉。一般來說，基于NV中心的傳感器可在各種條件下提供高靈敏度、廉價的生產和操作[92、104、105]。特別是，基于NV中心的技術也可以在室溫或更高溫度下工作。一種新穎的3D設計允許同時感應磁力、加速度、速度、旋轉或引力的所有三個分量[106]。NV中心在基于金剛石的傳感中的優勢在于空間分辨率和靈敏度。另一方面，挑戰在于選擇、實施和制造單個NV中心或其整體。在電場傳感的情況下，定義靈敏度是一項挑戰[107]。

超導電路（測量量：電場和磁場）。基于約瑟夫森效應的超導電路技術描述了兩個超導體之間的量子隧道效應[92]。該技術允許在宏觀尺度上制造量子系統，并且可以通過微波信號進行有效控制。超導量子干涉裝置（SQUID）是最好的磁力傳感器之一。然而，缺點是需要低溫技術。請注意，對于小于地磁噪聲的磁場變化的測量，首選設計是基于傳感器陣列來消除與應用的空間相關性，例如醫學和生物醫學應用（例如MRI或分子標記）。最近的發展表明，量子計算機中使用的超導量子比特也可用于測量電場和磁場[92]。

原子蒸氣（測量量：磁場、旋轉、時間）。自旋極化的高密度原子蒸氣在外部磁場下經歷狀態轉變，可以光學測量[92,108,109]。一個優點是在室溫下部署。原子蒸氣適用于旋轉傳感，稱為原子自旋陀螺儀(AGS)。AGS可以是芯片級的[5]。相比之下，最好的經典旋轉傳感器非常精確（例如環形激光陀螺儀）。預期的量子傳感器將精確到大約兩倍。然而，上面提到的最好的經典陀螺儀的尺寸為4×4 米，這是不切實際的[110]。基于原子系綜的原子蒸汽電池磁力計有可能超越SQUID磁力計并在室溫下工作[92]。

3.4.2 量子鐘

• 狀態：實驗室原型

• 使用影響：精度

• 時間表預期：短期至中期

• 主要挑戰：小型化

原子鐘已經陪伴我們幾十年了。例如，作為GPS衛星的一部分。當前的原子鐘是基于原子物理學的，其中在改變能級時電子的電磁輻射利用“滴答聲”。因此，原子鐘是一項非常成熟的技術。今天，基于原子噴泉或熱原子束和磁態選擇原理的原子鐘可以達到相對的不確定性[111]，或者最先進的芯片大小的原子鐘具有不確定性[5]。

第二次量子革命帶來了原子鐘或量子鐘的新原理。量子邏輯時鐘基于單離子，這是一種與用于量子計算的捕獲離子量子比特相關的技術[101]。量子邏輯時鐘是第一個時鐘不確定性低于[112]。量子鐘也可以從量子糾纏中受益[113]。

后來，量子邏輯時鐘被實驗光學晶格時鐘所取代。請注意，當前的原子鐘使用微波頻率工作，即能級之間的躍遷會發射微波光子。盡管它提供了更好的性能，但在光學頻率中發射光子的電平躍遷測量更難實現。光學時鐘仍在開發中，系統基于：在離子阱中隔離的單個離子、在光學晶格中捕獲的中性原子和包裝在3D量子氣體光學晶格中的原子。尤其是 3D 量子氣體光學晶格時鐘已經證明了頻率精度[114]。最近，證明量子糾纏可以提高時鐘穩定性[115]。

另一項研究側重于提供芯片尺寸實現的蒸汽電池（或氣體電池）原子鐘[116]；固態（例如，鉆石中的NV中心）時鐘[117]；或核鐘，其原理與微波或光學原子鐘相似，只是它使用核躍遷而不是原子殼中的電子躍遷[118]，具有超越原子光學鐘[119]的前所未有的性能潛力。

各種時鐘技術都有自己的挑戰，例如精確的頻率梳、用于控制和冷卻的激光系統以及黑體輻射偏移（在光學時鐘的情況下）。此外，小型化通常以較低的頻率精度為代價。另一種常見的挑戰是這些時鐘的同步。 精確計時對于許多技術至關重要，例如衛星導航、空間系統、精確測量、電信、國防、網絡同步、金融業、電網控制以及幾乎所有工業控制系統。然而，非常精確的時序對于量子技術至關重要，尤其是對于量子傳感和成像。例如，一個非常高精度的時鐘允許進行新的測量，例如重力勢測量到地球表面的厘米級或尋找新的物理學。

3.4.3 量子射頻天線

• 狀態：實驗室原型

• 使用：有效性

• 時間表預期：短期至中期

• 主要挑戰：小型化、冷卻

射頻(RF)天線用作各種信號的接收器或發射器。它們可以是復雜的AESA的簡單偶極天線個模塊。它們的尺寸限制受限于產生或接收信號的波長。例如，3 GHz信號的波長為～10厘米并且天線的尺寸應不小于大約1/3這個波長的。這稱為 Chu-Harrington 極限[120,121]。

里德堡原子的技術可以打破這一限制，并擁有一個獨立于接收信號波長的幾微米大小的天線。里德堡原子是高度激發的原子，具有相應的大電偶極矩，因此對外部電場具有高靈敏度[122,123]。請注意，基于里德堡原子的天線只能接收一個信號。

最近的基于Rydberg原子的分析儀原型在0到20 GHz的頻率下用于AM或FM無線電、WiFi 和藍牙信號[124]。更多天線的組合可以檢測信號的到達角[125]。在實驗室層面，里德堡原子技術已商業化。

量子射頻接收器作為單個單元（用于目標頻率、窄帶寬）或陣列傳感器（寬頻率跨度）可以在導航、有源成像（雷達）、電信、媒體接收器或無源太赫茲成像中找到其應用。

3.4.4 量子成像系統

• 狀態：實驗室原型和概念驗證

• 使用：新能力

• 時間表預期：短期到長期

• 主要挑戰：提高分辨率、高倍率單光子源

量子成像系統是一個廣泛的領域，涵蓋 3D 量子相機、幕后相機、低亮度成像和量子雷達或激光雷達（對于量子雷達，請參閱第 3.4.5節）。

SPAD（單光子雪崩探測器）陣列是一種非常靈敏的單光子探測器，與脈沖照明源相連，可以測量從源到物體的飛行時間，從而測量物體的范圍。然后，將SPAD放入陣列中就可以作為3D相機工作。SPAD與擴展至近紅外光譜的光譜一起工作。

SPAD陣列也可用于檢測視線之外的物體（例如隱藏在墻角后面）。這個想法是基于激光和相機的合作，其中激光在SPAD相機的前面（例如地板上的一個點）發送一個脈沖。從該點，激光脈沖將向各個方向散射，包括拐角后，光子可以反射到SPAD相機前面的點，然后再反射到相機。SPAD足夠靈敏，可以檢測到這樣的三散射信號[126]。

量子重影成像[127 –129]，也稱為重合成像或雙光子成像，是一種允許對相機視線之外的物體進行成像的技術。在源中，產生了兩個糾纏的光子，每個光子的頻率不同。光學頻率中的一個由高分辨率光子計數相機直接記錄。具有不同頻率的第二光子（例如紅外線）被發送到物體。反射的光子由單光子檢測器（所謂的“桶”檢測器）檢測。然后根據兩個光子之間的相關性創建圖像。鬼成像協議也被證明沒有量子糾纏（使用經典相關），盡管分辨率較差。

這種模式允許在極低的光照水平下對物體進行成像。此外，紅外光可以更好地穿透某些環境，具有更好的信噪比(SNR)[130]。最近展示了使用 X 射線或超相對論電子的鬼成像實驗 [131,132]。

亞散粒噪聲成像[133] 是另一種量子光學模式，允許檢測信號低于散粒噪聲的弱吸收物體。散粒噪聲是檢測到的光子數量波動的結果。例如，散粒噪聲是激光的極限。使用相關光子可以克服這個限制。一個“先驅”或“輔助”光子的檢測表明存在探測物體或環境的相關光子。

量子照明(QI)[134]是一種使用兩個相關（糾纏）光子檢測目標的量子協議。保留一個稱為“閑置”的光子。另一個稱為“信號”光子，被發送到目標并被反射，兩個光子都被測量。即使糾纏被有損和嘈雜的環境破壞，該協議的優勢仍然存在。QI協議是主要適用于量子雷達的協議之一，但也可以應用于醫學成像或量子通信。

3.4.5 量子雷達技術

• 狀態：實驗室原型和概念驗證

• 使用：新能力

• 時間表預期：長期和更多

• 主要挑戰：高速率單光子源、量子微波技術

從原理上講，量子雷達的工作原理與經典雷達類似，即必須向目標發送信號，并且雷達系統需要等待反射信號。盡管如此，理論上可以通過量子力學逼近來提高精度和新能力。

有幾種用于量子雷達的協議，例如干涉式量子雷達[135]、量子照明(QI) [134] 、混合量子雷達[136、137]或Maccone-Ren量子雷達[138]。沒有一個提到的協議是完美的。例如，干涉式量子雷達對噪聲過于敏感，需要保留量子糾纏。QI是嘈雜環境的理想協議，甚至在實驗室驗證了微波頻譜[139]，但它需要了解與目標的距離，例如它沒有測距功能。然而，基于QI的量子目標測距方法正在開發中[140]。混合量子雷達也解決了這個測距問題，但以犧牲靈敏度為代價。Maccone-Ren協議具有QI屬性和測距功能，但目前還只是一個理論概念。

所有協議共同面臨的最大挑戰是（不僅）微波狀態下糾纏光子的高生成率。雷達方程的量子版本[141]仍然占據主導地位，其中R是雷達-目標距離。因此，所需的糾纏光子（模式）的數量比目前可用的數量級高幾個數量級[142]。從某種意義上說，量子雷達與噪聲雷達相似，具有截獲概率、檢測概率低、頻譜共享高效等諸多特性，參見[137]及其參考文獻。

另一個相關的挑戰是目標尋找。理論工作[143]表明，量子糾纏在尋找目標未知位置方面可以勝過任何經典策略。此外，所提出的方法可以用作固定目標范圍的量子增強頻率掃描儀。

3.4.6 其他傳感器和技術

• 狀態：實驗室原型

• 利用：新功能（例如化學和精確聲學檢測）

• 時間表預期：中短期

• 主要挑戰：提高分辨率

使用光聲檢測，量子技術可用于高達聲子水平的超精確聲音傳感，聲子是一種準粒子量化固體物質中的聲波[144,145]。聲波的精確檢測對于許多應用至關重要，包括醫療診斷、聲納、導航、痕量氣體傳感和工業過程[146,147]。

光聲檢測可與量子級聯激光結合，用于氣體或一般化學檢測。量子級聯激光器 (QCL) 是一項成熟的技術[148]。QCL是一種在中波和長波紅外波段發射的半導體激光器，與許多其他量子技術一樣，需要遠低于-70℃的冷卻。然而，最近的發展允許芯片級實現工作在-23℃ 左右，這可以通過便攜式冷卻系統來實現[149]。

4 國防中的量子技術

與工業或公共應用相比，軍事技術的要求更高。考慮到戰場上可能的部署，這需要更加謹慎。第5節介紹了具有不同 TRL、時間預期和多種實現風險的各種可能的軍事應用。

對于易于實施并適合當前技術的技術，例如量子傳感器，簡單地說，我們可以用量子傳感器代替經典傳感器，這將更簡單，風險更小。

相反，QKD是一種已經商業化但難以部署的技術的例子。需要許多新的硬件、系統和與當前通信系統的互操作性。因此，這項技術在軍事部署方面具有更大的風險。

從長遠來看，我們可以期待降低SWaP和擴大量子計算機和量子網絡的優勢。如果國家/軍隊想與其他國家/軍隊競爭邊緣（量子）技術，這將使部署更容易并且可能是必要的。

4.1 量子策略

軍事量子技術的未來用戶將不得不仔細考慮是否、何時以及何時投入時間和資源。國防軍的目標不是開發軍事技術，而通常只是明確要求及其獲取。但是，他們可以顯著參與開發，特別是如果他們是最終用戶。 作為基礎，最好有一個由產業和學術機構組成的國家量子生態系統。這樣的生態系統應在政府層面得到普遍支持，即制定國家量子計劃，但也應激勵為國防部門開發技術。這可以通過適當的贈款資金甚至各種主題挑戰來實現，個人和初創公司可以參與其中，并可能帶來新的顛覆性想法和解決方案。這自然會導致與工業界和學術界的更緊密合作。量子產業非常有趣，學術界和工業界之間有大量的合作。

第一步是建立量子技術路線圖或量子戰略。路線圖/戰略應詳細說明所有后續步驟，從識別顛覆性量子解決方案、市場調查、技術和風險評估以及開發本身到原型測試和最終解決方案部署。路線圖或量子策略可以由三個部分組成：

1.鑒別，

2.發展，

3.實施和部署。

最關鍵的部分是為所考慮的戰爭領域確定最有利和最具破壞性的量子技術。此步驟還包括技術和科學評估，以平衡技術風險（有限的可部署性、低于預期的性能或不可能從實驗室轉移到戰場）與單個量子技術的潛在優勢。這個識別過程應該循環重復，以便對新發現和破壞性解決方案做出相對快速的反應。重要的是要記住許多應用程序尚未被識別或發現。

下一步是通常的研發（R&D）過程。研發應在財政上得到充分支持，但官僚障礙也應降至最低。它應該涉及快速的開發周期，并與軍事技術的最終用戶密切互動（規格和性能咨詢、原型測試、準備認證……）。在此階段結束時，新系統應具備初始運行能力。

最后一步是達到全面作戰能力，包括修改或創造新的軍事學說，準備新的軍事情景、戰略和戰術，充分發揮量子優勢。

最后一點與識別階段有關。在這里，決策者還需要考慮長遠的觀點。到目前為止，許多量子技術已經被單獨考慮：傳感器、QKD、量子計算等。但長期的愿景是考慮通過量子網絡實現量子傳感器和量子計算的互連。在這里，理論和實驗工作展示了利用量子糾纏傳感器和計算機的額外量子優勢[77,78]。更多類似的應用可能會被發現或發明。在構建光纖/量子網絡時要考慮這一點很重要。之后，可信中繼器等當前元素可以被全量子中繼器和交換機取代，從而充分發揮量子網絡的潛力。

4.2 TRL 和時間范圍

正如多次提到的，各種量子技術處于不同的TRL，從1到8不等。在考慮各種應用和部署平臺時，尤其是用于軍事目的時，TRL的變化和時間范圍預期更加復雜。[150]中提供了一些TRL和時間范圍估計。然而，根據本報告中的描述，一些估計，例如TRL 6 的量子精確導航，似乎過于樂觀。

在這里，我們在表1中提供了我們自己的TRL和預期時間范圍 ，這與這項工作的結果相對應。

表 1 TRL 和時間范圍預期。這些期望反映了一般 TRL 而不僅僅是軍事 TRL。請注意，各種量子技術在同一應用程序中處于不同的 TRL

讀者可以將這些與[11,150]中的其他時間線進行比較。

實際的軍事部署可能需要一些時間來克服所有技術障礙并滿足軍事要求。以用于地下掃描的量子重力儀為例。第一代可能會部署為放置在卡車上的靜態傳感器，并且范圍/空間分辨率將相當低。隨著時間的推移，下一代將提高靈敏度和空間分辨率。隨著SWaP的降低，該傳感器將能夠被放置在飛機上，然后在無人機上，也許在LEO衛星上。然而，傳感器的極限也有可能提前達到，導致部署變得不可能，例如在無人機或LEO衛星上。

4.3 量子技術對策

一個關于量子技術對策的獨立部分是有必要的，盡管這個主題將被觸及，例如在 Sect.5.6關于經典電子戰的量子類比。該主題研究較少，很少有文本涉及該主題；此外，詳細描述超出了本報告的范圍。

簡而言之，這個主題是指欺騙、禁用或破壞量子技術的方法和技術，無論是量子計算機、量子網絡還是量子傳感器和成像系統。量子技術利用了單個量子的量子物理特性。因此，它們非常容易受到來自環境的干擾和噪音的影響，因此可能會被欺騙或癱瘓。特別是關于量子網絡，特別是QKD，我們談到了與QKD本身攜手發展的量子黑客攻擊[151–155]。

量子戰略的作者和決策者應該牢記，當量子技術部署在軍事領域時，很可能遲早會出現各種對策。目前未知的是量子技術對策的可能有效性及其影響。

5 量子技術軍事應用

量子技術有可能對人類活動的許多領域產生重大影響。對于國防部門來說尤其如此。量子技術可以影響現代戰爭的所有領域。第二次量子革命將提高靈敏度和效率，并引入新的能力和提高現代戰爭技術，而不是導致新型武器。

以下文字描繪了現代戰爭不同方面的軍事、安全、太空和情報方面的可想象量子技術應用，如圖1所示。它還提到了可能暗示量子技術能力和性能的工業應用，尤其是在沒有關于軍事應用的公開信息可用的情況下。

圖1 利用各種量子技術系統的量子戰示意圖

重要的是要注意，許多應用仍然是理論多于現實。在實驗室中取得的顯著量子進步并不總是在實驗室外產生類似的進步。除了工作實驗室原型之外，從實驗室到實際部署的轉移還涉及其他方面，例如便攜性、靈敏度、分辨率、速度、穩健性、低SWaP（尺寸、重量和功率）和成本。量子技術的實用性和成本效益將決定是否制造和部署特定的量子技術。

將量子技術集成到軍事平臺中更具挑戰性。除了與民用類似的主要位于數據中心的量子計算機外，量子傳感、成像和網絡的集成和部署還面臨著軍事用途需求增加帶來的若干挑戰（與民用/工業或科學需求相比））。例如，精確導航的軍用級要求需要快速的測量速率，這對于當前的量子慣性傳感器來說可能是相當有限的。還有更多的例子，而且可能還會有更多的例子。

此外，這個領域還很年輕，新技術的驚喜，無論是好的還是壞的，都可能帶來其他量子優勢或劣勢。

5.1 量子網絡安全

關鍵點：

• 量子加密敏捷實施的必要性。

• 想要利用Shor算法的操作應該在部署量子安全加密之前開始收集感興趣的數據。

• QKD的實施需要仔細考慮。

• 在QKD中，端點將是系統中最薄弱的部分。

網絡戰中的量子優勢可以提供新的，但一方面非常有效（具有指數加速），對當前非對稱加密的攻擊向量（基于整數分解、離散對數或橢圓曲線離散對數問題），并且，理論上，關于對稱加密[90,156]。另一方面是新的量子彈性加密算法和方法，以及量子密鑰分發。有關概述，請參見例如[157 –160]。 當前的趨勢也是機器學習或人工智能在網絡戰中的發展和應用[161]。有關量子機會的更多詳細信息，請參閱3.5.2 .

5.1.1 量子防御能力

后量子密碼學實現是應該盡快實施的“必備”技術。敵對情報正在收集加密數據并期望未來使用量子計算機的力量進行解密的風險是真實的、高的并且存在的[162]。這適用于交換或存儲秘密和機密數據的軍事、情報和政府部門以及工業或學術界。當前的趨勢是，當經過認證（標準化）的后量子密碼學準備好部署時，開始準備實施量子密碼敏捷性的基礎設施 [90,156]。

新的量子彈性算法不僅可以提供一種即使對于量子計算機來說也足夠困難的新數學方法，還可以提供一種處理加密數據的新范式。例如，完全同態加密 (FHE) 允許數據永遠不會被解密——即使它們正在被處理[163]。盡管安全應用程序（例如基因組數據、醫療記錄或財務信息）被提及最多，但情報、軍事或政府應用程序也很明顯。因此，FHE 是基于云的量子計算的良好候選者，以確保安全的云量子計算[164]。

請注意，后量子密碼學應在物聯網(IoT)或軍事物聯網(IoMT)[165]中實施，因為這是一個快速發展的領域，存在許多潛在的安全漏洞。有關物聯網后量子密碼學的概述，請參閱 [166]。

量子密鑰分發(QKD)[160,167,168] 是另一個允許安全加密密鑰交換的新功能，其中安全性得到了數學證明。雖然不可能竊聽量子數據（密鑰）的量子載體，但由于硬件或軟件實現不完善，弱點可以在端節點和可信中繼器上找到。另一個問題是成本，如果解決方案是基于光纖或利用量子衛星，則獨立考慮量子數據吞吐量、安全性和非量子替代方案。QKD 解決方案似乎在歐盟[169]中受到青睞，而后量子加密解決方案在美國[170]中受到青睞。

最后一點是指量子隨機數生成器。QRNG提高了安全性[171]并拒絕了對偽隨機數生成器的攻擊[172]。

5.1.2 量子攻擊能力

借助Shor基于算法的公鑰加密(PKE)量子密碼分析（例如RSA、DH、ECC），攻擊者可以解密之前收集的加密數據。所謂的“Q-Day”（量子計算機破解2048位RSA加密的那一天）何時會發生，并沒有準確的預測。然而，普遍的看法是大約需要10-15年（基于2017年的一項調查）[173]。由于Simon的算法和疊加查詢，類似的威脅適用于大多數消息身份驗證代碼(MAC)和關聯數據的身份驗證加密(AEAD)，例如HMAC-CBC和AES-GCM。

人們必須假設這種進攻性行動已經存在，或者正在進行深入的研究。在10年內，最敏感的通信或感興趣的主題將使用在未來六年內實施的后量子密碼學或QKD。這意味著當能夠破解PKE的量子計算機可用時，大多數安全敏感數據將使用量子安全解決方案。

理論上，Grover算法弱化了對稱密鑰加密算法；例如，DES和AES。然而，量子計算，特別是量子存儲器的需求如此巨大，以至于在未來幾十年內似乎是不可行的[174]。

另一個攻擊向量使用經典計算機的經典黑客方法，這些方法將落后于量子技術。總的來說，量子技術是一個技術年輕的領域，正在開發大量新的量子系統控制軟件。新的軟件和硬件往往有更多的錯誤和安全漏洞。例如，當前的QKD量子衛星作為受信任的中繼器工作，由經典計算機控制，可能成為網絡攻擊的理想目標。此外，針對量子網絡的特定基于物理的攻擊向量（例如QKD）是積極研究的主題[175]，例如光子數分裂[81]或特洛伊木馬攻擊[82]，不能排除未來的驚喜。有關量子黑客的概述，請參見例如[157]。

5.2 量子計算能力

關鍵點：

• 量子計算能力將隨著邏輯量子比特的數量而增加。

• 最有可能的是，量子計算將被用作混合云的一部分。

• 小型嵌入式量子計算系統是直接量子數據處理的理想選擇。

• 一般用于量子優化、ML/AI 增強和更快的數值模擬。

量子計算將為當前的經典計算服務引入新的能力，幫助解決高復雜度的計算問題。此外，除了上述量子模擬之外，量子計算還包括量子優化、機器學習和人工智能 (ML/AI) 改進、量子數據分析以及更快的數值建模[11,24]。在[10]中提出了可以用近期量子計算機解決的軍事問題。它們是：戰場或戰爭模擬；無線電頻譜分析；物流管理；供應鏈優化；能源管理; 和預測性維護。

為了獲得最有效的結果，未來的量子計算實施將與經典計算機一起在計算農場中實現，這將創建一個混合系統。混合量子經典操作系統將使用ML/AI分析要計算的任務，并將單個計算拆分為CPU、GPU、FPGA或量子處理器(QPU)，可以獲得最佳和最快的結果。

例如，可以放置在自動駕駛汽車或移動指揮中心中的小型嵌入式量子計算機是值得懷疑的。當前最先進的量子比特設計需要低溫冷卻。因此，更多的努力應該集中在其他量子比特設計上，例如可以在室溫下工作的光子、自旋或NV中心。嵌入式量子芯片可以執行簡單的分析任務或用于與需要直接量子數據處理的量子網絡應用相關的簡單操作。盡管如此，自主系統和機器人技術的機器學習和模型優化也可以從“大型”量子計算機中受益。

量子計算在優化問題中可能是有效的[10,176,177]。在軍事領域，量子優化的例子可以是海外行動和部署的物流、任務規劃、兵棋推演、系統驗證和驗證、新車的設計及其屬性，如隱身或敏捷性。頂部將是一個增強決策的應用程序，通過量子信息科學支持軍事行動和功能，包括預測分析和ML/AI[178]。具體來說，量子退火器已經證明了自己在驗證和驗證復雜系統的軟件代碼方面的能力[179,180]。

量子計算機有望在指揮和控制 (C2) 系統中發揮重要作用。C2系統的作用是分析和呈現態勢感知或協助規劃和監控，包括模擬各種可能的場景，為最佳決策提供最佳條件。量子計算機可以改進和加速場景模擬或處理和分析來自 ISR（情報、監視和偵察）的大數據，以增強態勢感知。這還包括量子增強機器學習和量子傳感器和成像的參與。

量子信息處理可能對于情報、監視和偵察(ISR)或態勢感知至關重要。ISR將受益于量子計算，它極大地提高了ISR捕獲的信號和圖像中過濾、解碼、關聯和識別特征的能力。尤其是量子圖像處理是一個引起廣泛關注和發展的領域。預計在短期內，態勢感知和理解可以受益于利用神經網絡的量子圖像分析和模式檢測[13]。

量子計算將增強經典機器學習和人工智能[54]，包括國防應用[178]。在這里，量子計算肯定無法進行完整的機器學習過程。然而，量子計算可以改進ML/AI機器（例如量子采樣、線性代數、量子神經網絡）。最近的一項研究[181]表明，量子ML僅對一些適合特定問題的內核提供了優勢。原則上，量子計算可能會增強大多數經典的ML/AI國防應用；例如，自動化網絡操作、算法目標、態勢感知和理解以及自動化任務規劃[182,183]。量子 ML/AI 最直接的應用可能是量子數據；例如，由量子傳感或測量設備產生的數據[55]。實際適用性將隨著量子計算機資源的增長而增長，八年后，量子機器學習/人工智能可以成為重要的量子計算應用之一[184]。這種適用性可以通過混合經典量子機器學習來加速，其中張量網絡模型可以在小型近期量子設備上實現[185]。

通過量子神經網絡，量子計算機有望提供卓越的模式識別和更高的速度。這可能是必不可少的，例如，在保護網絡的仿生網絡防御系統中，類似于生物有機體的免疫系統[13]。

此外，通過更快的線性代數（見3.2.5），量子計算有可能改進國防領域當前基于數值線性方程的數值建模，如兵棋推演模擬、雷達截面計算、隱身設計建模等。

從長遠來看，量子系統可以啟用網絡量子啟用能力（NQEC）[13]。NQEC是一個未來系統，允許各個單位和指揮官之間通過網絡進行通信和共享信息，以快速響應戰場發展和協調。量子增強可以帶來安全通信、增強的態勢感知和理解、遠程量子傳感器輸出融合和處理以及改進的 C2。

5.3 量子通信網絡

關鍵點：

• 各種安全應用（例如 QKD、識別和認證、數字簽名）。

• 隨著對所有新技術安全方面的仔細探索，安全應用程序的采用將很快發生。

• 量子時鐘同步允許使用更高精度的量子時鐘。

• 量子互聯網是量子計算機和/或量子云之間最有效的通信方式。

量子互聯網代表具有各種服務的量子網絡[186]，這些服務不僅具有重要的安全性，而且具有重要意義。然而，許多進步的量子通信網絡應用需要量子糾纏；也就是說，它們需要量子中繼器和量子開關。回想一下，可信中繼器只能用于QKD（參見第3.3.1節）。未來光纖和自由空間通道的組合將互連各種終端節點，如無人機、飛機、船舶、車輛、士兵、指揮中心等。

5.3.1 安全應用

量子密鑰分發是最成熟的量子網絡應用之一。以后，當使用MDI-QKD或量子中繼器的長距離通信成為可能時，這項技術將對國防部門產生興趣。目前，可以使用使用可信中繼器的基本商業技術。這些先驅可以作為如何使用量子技術的典范。在這里，QKD公司將這項技術推廣為最安全的技術，并且出現了越來越多的用例，尤其是在金融和醫療保健領域。另一方面，眾多的推薦報告和權威機構更加謹慎；例如，英國國家網絡安全中心[187]不認可 QKD 在其當前狀態下用于任何政府或軍事應用。

除了僅分發密鑰的QKD之外，量子網絡還可用于太空、特種部隊、空軍、海軍和陸地資產之間的量子安全直接通信(QSDC)[188–191]。在這里，在量子數據中加密的直接消息利用了類似于QKD的安全性。一個障礙可能是低量子比特率，它只允許發送簡單的消息，而不是視聽和復雜的遙測數據。在這種情況下，網絡切換到QKD協議來分發密鑰，加密數據將通過經典通道分發。其他協議，例如量子對話[192]和量子直接秘密共享[193]旨在使用量子網絡作為QSDC進行可證明的安全通信。請注意，QKD和QSDC被認為是6G無線通信網絡的原生部分，并在[194]中進行了相應討論。

量子方法對安全性的另一個重要貢獻是量子數字簽名(QDS)[195]。它是經典數字簽名的量子力學等價物。QDS 提供安全性，防止在發送者簽署消息后篡改消息。

接下來，量子安全識別利用了量子特征，允許在不泄露身份驗證憑證的情況下進行識別 [72]。非量子身份識別基于登錄名和密碼或加密密鑰的交換，允許入侵者至少猜測誰嘗試了身份驗證。

另一個應用是基于位置的量子密碼學[196,197]。基于位置的量子密碼學可以提供更安全的通信，其中訪問的信息只能從特定的地理位置獲得，例如只能從特定的軍事基地與軍用衛星進行通信。當一方的地理位置是其唯一憑證時，基于位置的量子密碼學還可以提供安全通信。

5.3.2 技術應用

量子網絡將執行網絡時鐘同步[71,198]，這已經是經典數字網絡中的一個主要話題。時鐘同步旨在協調其他獨立的時鐘，尤其是原子鐘（例如在 GPS 中）和本地數字時鐘（例如在數字計算機中）。使用量子糾纏的量子網絡將實現更準確的同步，尤其是在部署量子時鐘時（時間標準和頻率傳輸見第 5.4節）。否則，量子時鐘的高精度只能在本地使用。精確的時鐘同步對于C4ISR（指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察）系統的合作至關重要，以準確同步雷達、電子戰、指揮中心、武器系統等的各種數據和行動。

一個簡短的說明專門用于盲量子計算[69,70]。這類量子協議允許量子程序在遠程量子計算機或量子計算云上運行并檢索結果，而無需所有者知道算法或結果是什么。當需要秘密計算（例如軍事行動計劃或新武器技術設計）并且沒有自己的量子計算機能力可用時，這是很有價值的。

通過量子網絡進行的分布式量子計算——參見第3節。 3.3.1——對于擁有量子計算機的軍事和政府行為者來說，構建高性能量子計算服務或量子云非常重要。

能夠分布糾纏的量子網絡可以集成和糾纏量子傳感器[77]，以提高傳感器的靈敏度，減少誤差，最重要的是執行全局測量。這在感興趣的參數是整個網絡的全局屬性的情況下提供了優勢；例如，當信號的到達角需要從三個傳感器測量時，每個傳感器測量具有一定幅度和相位的信號。之后，每個傳感器的輸出可用于估計信號的到達角。量子糾纏傳感器可以在全球范圍內對此進行評估。然后可以通過機器學習來改進這個過程[78]。

用于分布式計算協議的量子協議[76]可以對一群無人機或一般來說對一群自動駕駛汽車 (AV) 具有有利的軍事應用。在這里，量子協議可以幫助在同一時間尺度上實現所有AV之間的協議，而與它們的數量無關。然而，所有快速移動的AV之間的開放空間量子通信將是一個必須首先解決的挑戰。請注意，最近成功進行了無人機量子糾纏分布的第一個實驗[64]。

5.4 量子PNT

關鍵點：

• 所有量子 PNT 技術都有一個共同點，即對高精度量子時鐘的需求。

• 量子慣性導航可以帶來比其經典對應物高幾個數量級的精度。

• 量子慣性導航可以通過使用量子磁或重力映射的量子增強導航進行擴展。

• 基于地球磁異常的有前途的量子導航。

量子技術有望顯著改善定位、導航和授時(PNT)系統，尤其是慣性導航。時間標準和頻率傳輸(TFT)是一項基本服務，可為通信、計量以及全球導航衛星系統(GNSS)提供精確計時。盡管目前的TFT系統已經很成熟，但光學原子鐘或量子鐘與利用量子網絡的TFT相結合的性能[199,200]將跟上當前應用（通信、GNSS、金融部門、雷達、電子戰爭系統）并支持新的應用（量子傳感和成像）。

新的基于量子的技術和方法支持開發用于PNT的靈敏精密儀器。量子優勢將在GPS被拒絕或具有挑戰性的操作環境中體現出來，從而實現精確操作。這種環境的示例是水下和地下，或GPS干擾下的環境。

當前的GNSS（GPS、GLONASS、伽利略、北斗……）依賴于通過單個衛星中的多個原子鐘提供的精確計時，這些原子鐘由地面上更穩定的原子鐘進行校正。量子時鐘的更高精度也將提高定位和導航的準確性。從長遠來看，GNSS衛星應連接到量子互聯網以進行時間分配和時鐘同步。芯片大小的精確移動時鐘可以幫助發現GNSS欺騙和欺騙[201]。

已經考慮和研究了一些量子GNSS（不僅僅是量子時鐘）；例如，干涉式量子定位系統 (QPS)[199,202,203]。QPS[202,203]的方案之一具有類似于傳統GNSS的結構，其中有三個基線，每個基線由兩個低軌道衛星組成，基線相互垂直。然而，盡管理論上定位的準確性令人驚訝，但必須進行大量工程才能設計出逼真的QPS。

當前的大多數導航依賴于GPS，或者一般來說是GNSS，這是最精確的可用導航技術。GNSS技術容易受到干擾、欺騙、欺騙或缺乏GPS的環境，例如使用高電磁頻譜的人口稠密地區。此外，對于地下或水下環境，GNSS技術根本不可用。解決方案是慣性導航。經典慣性導航的問題是它的漂移，隨著時間的推移精度的損失。例如，航海級慣性導航（用于船舶、潛艇和航天器）的漂移為1.8公里/天，導航級（用于軍用飛機）的漂移為1.5公里/小時[204]。2014年，DARPA啟動了MTO-PTN項目，目標是達到20 m和1 ms/小時的漂移[205]。即便如此，一些期望值非常高，即量子慣性導航將提供每月僅約數百米的誤差[5,206]。

全量子慣性導航系統由量子陀螺儀、加速度計和原子/量子鐘組成。盡管量子慣性導航所需的單個傳感器在實驗室外進行了測試，但創建完整的量子慣性測量單元仍然具有挑戰性。對于高度移動平臺的導航，傳感器需要幾個100 Hz的快速測量速率，或者提高量子傳感器的測量帶寬[204,207]。最需要改進的關鍵部件是低漂移旋轉傳感器。經典的慣性傳感器基于各種原理[208]。一種常見的芯片尺寸技術是MEMS (Micro Electro - Mechanical Systems)技術，其中MEMS陀螺儀的不穩定性達到約，適用于軍事應用[99]。目前最好的冷原子陀螺儀的不穩定性極限約為(積分時間為1000 s)[209]。與現有實驗室實驗的精度相比，不確定性在于可現場部署的量子傳感器的精度。經典和量子慣性導航之間的中間步驟可以是融合經典和量子加速度計輸出的混合系統[210]。隨著量子慣性導航設備的尺寸減小到芯片尺寸，可以預期其部署在較小的車輛上，尤其是無人駕駛的自動駕駛汽車或導彈上。但是，我們可以達到的小型化是未知的。對于芯片大小的量子慣性導航存在諸多疑慮。盡管挑戰很大，但它無疑是下一代技術。

目前，陀螺儀或加速度計等單個元件也在各種平臺上進行測試；例如，在飛機[211]或最近的[212]上。 多年來，美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)一直在繪制地球磁異常圖并創建磁異常圖。將靈敏的量子磁力計與地球的磁異常圖結合使用是另一種實現量子非GNSS導航的方法 [213,214]。

引力圖匹配[215]的工作原理類似，人們可以期待使用量子引力計提高性能。量子重力儀和磁力儀一起可以成為潛艇量子增強導航的基礎，尤其是在海底峽谷、褶皺海床或沿海環境中。

一般來說，量子慣性導航或增強導航具有巨大的潛力，因為不需要GPS、紅外或雷達導航，而且它不易受到干擾或一般電子戰攻擊。然而，“不需要 GPS”的說法并不十分準確。這些系統的初始位置總是需要一些外部輸入，很可能來自GNSS。

5.5 量子ISTAR

關鍵點：

• 量子計算的密集參與以收集和處理信息。

• 期望在低軌道衛星上部署，但分辨率值得懷疑。

• 海底作業的廣泛應用。

• 預期具有不確定分辨率的先進地下監視。

• 新型 3D、微光或低信噪比的量子視覺設備。

ISTAR（情報、監視、目標獲取和偵察）是現代軍隊進行精確作戰的關鍵能力。量子技術有可能顯著提高多域戰場的態勢感知能力。

一般來說，預計量子計算會產生巨大影響，這將有助于獲取新的情報數據、處理來自監視和偵察的大數據以及使用量子 ML/AI 識別目標[178,183]。

除了ISTAR的處理部分之外，可以預期放置在單個陸地/海洋/飛行器和低軌道衛星上的量子傳感會取得巨大進步。

量子重力儀和重力梯度儀保證了高精度，可以改進或引入新的應用：地球物理學研究、地震學、考古學、礦物（裂變材料或貴金屬）和石油探測、地下掃描和精確的地理參考和地形測繪（例如，用于水下的海床導航）[7]。

另一種重要的傳感類型是量子磁力計。量子磁力測量的應用與量子重力測量的應用部分重疊，因此引入了新的應用：地球磁場包括磁異常、由于存在的局部磁異常，例如金屬物體（潛艇、礦井等），或弱生物磁信號（主要用于醫療目的的應用）[7]。

ISTAR 感興趣的第三個領域是量子成像。量子成像提供了許多不同的應用；例如，量子雷達（見第 5.7節）、醫學成像設備、3D相機、隱形測距儀等。

量子計算在 ISR 和態勢感知中的潛在應用在第3節中進行了描述。

5.5.1 量子地球的地表和地下監視

基于磁力測量、重力測量和重力梯度測量的第一級量子傳感有助于研究大陸和海面，包括自然起源的地下變化。磁異常和基于重力的傳感都提供了地球表面的不同圖像。地球是非常不均勻的（海洋、巖石、洞穴、金屬礦物……），包括由人類制造的巨大建筑或車輛，它們會產生獨特的引力（取決于質量）和磁（取決于金屬成分）足跡。

所討論的量子傳感技術——磁力測量、重力測量和重力梯度測量——可以達到非常高的精度，至少在實驗室中是這樣。例如，實驗室外絕對重量法的精度約為[216]。請注意，靈敏度3.1 μGal對應于地球表面上方每厘米高度的靈敏度。然而，問題在于通常與靈敏度反相關的空間分辨率（較高的靈敏度是以較低的空間分辨率為代價的，反之亦然）。空間分辨率和靈敏度是定義您將識別什么（大規模自然變化或小型地下結構）以及距離多遠（距地面、無人機或基于衛星的測量）的關鍵屬性。當前空間分辨率的例子是，星載重力梯度儀大約為100公里[217]，或者使用雷達衛星測高儀（海域）增加了16公里[218]寬度，或者機載重力儀為5公里[219]。有關更多信息，請參閱例如[5]。

對于許多量子傳感應用，必須將傳感器放置在低地球軌道(LEO)衛星上[220]。然而，目前的靈敏度和空間分辨率只允許應用于地球監測（測繪資源，如水或石油、地震或海嘯探測）。

除了低軌道衛星外，上述量子傳感器還被考慮部署在機載、海上或地面車輛平臺上。如今，量子傳感實驗是在實驗室環境之外進行的，例如在卡車[221]、無人機和飛機[222,223] 或船上[217]上。例如，可以將量子重力儀安裝在無人機上，以搜索人造結構，例如用于走私毒品的隧道[223]。將量子傳感設備放置在無人機上（這可能是無人駕駛飛行器(UAV)、無人水面艦艇(USV)、遙控潛水器 (ROV) 或無人水下航行器(UUV)）需要更多工程才能達到最佳靈敏度、分辨率和可操作性同時進行。

低分辨率量子傳感可用于精確的地理參考和地形映射，以幫助在崎嶇地形中進行水下導航或任務規劃。此外，新礦物和油田的探測可能成為新的關注點，尤其是在海床下[224]。盡管在大多數情況下邊界是明確的，但這可能是國際摩擦的根源。

高分辨率量子磁力和重力感應[217,225–227]在許多報告和文章[7,225,228–231]中被認為能夠：檢測偽裝的車輛或飛機；有效地從LEO搜索船隊或單艘船；探測洞穴、隧道、地下掩體、研究設施和導彈發射井等地下結構；定位埋藏的未爆炸物體（地雷、水下地雷和簡易爆炸裝置）；實現旋轉機械的穿墻檢測。 然而，再次注意，技術限制在哪里以及所提到的量子重力測量和磁力測量應用是否會達到實現上述所有想法的靈敏度和分辨率（尤其是從LEO使用）是高度不確定的。量子傳感器將分多代投放市場，每代都具有更好的靈敏度和分辨率以及更低的SWaP，從而允許更廣泛的部署和應用。

5.5.2 量子成像系統

除了量子雷達和激光雷達（參見 第5.7節），還有其他與軍事相關的量子成像應用。一般來說，ISTAR 的全天候、晝夜戰術傳感用于長/短程、主動/被動狀態、不可見/隱形使用 EO/IR/THz/RF 頻率特征和優勢。量子成像系統可以使用各種技術和量子協議；例如，SPAD、量子鬼影成像、亞散粒噪聲成像或量子照明，如第3節所述。 3.4.4 一般來說，構建小尺寸的量子成像系統是沒有問題的。關鍵參數是單光子/糾纏光子發射器的通量或單光子檢測分辨率和靈敏度。此外，大規模部署具有高光子通量的量子成像系統將需要強大的處理能力，這可能會限制系統的可部署性和性能。

利用量子糾纏和光子數相關性的量子3D相機將引入具有前所未有的焦深和低噪聲的快速3D成像，旨在實現亞散粒噪聲或遠程性能。這種能力可用于檢查和檢測噴氣式飛機、衛星和其他敏感軍事技術上的偏差或結構裂縫。無人機的遠程3D成像可用于偵察和探索任務目的地或敵對設施和設備。

另一種商用技術是量子氣體傳感器[232]。從技術上講，它是一種經過校準以檢測甲烷泄漏的單光子量子激光雷達。下一個準備好的產品是能夠檢測二氧化碳(CO 2)的多氣體檢測器。通過適當的改進和校準，它也可以用于人體存在檢測。

短距離的一個特定特征是在角落后面或視線之外的可見性的可能性，[126]。這些方法可以幫助定位和恢復被困人員、人質情況下的人，或者通過檢測拐角處的車輛來改進自動駕駛。

量子成像可以用作微光或低信噪比的視覺設備；例如，在多云的水、霧、灰塵、煙霧、叢林樹葉或夜間等環境中，導致優勢。低信噪比量子成像有助于目標檢測、分類和識別，具有低信噪比或隱藏的可見特征，并可能對抗對手的偽裝或其他目標欺騙技術。當直升機飛行員降落在多塵、有霧或煙霧的環境中時，量子成像將非常有用[9]。

一個重要的產品將是量子測距儀[233,234]。傳統的測距儀使用明亮的激光，可以很容易地被目標檢測到。從目標觀察時，量子測距儀在時間和光譜上都無法與背景區分開來。換句話說，量子測距儀將是不可見和隱身的，包括在夜間，而經典測距儀可以對目標或其他人可見。

在某些情況下，量子鬼成像可以起到量子激光雷達的作用[235]，尤其是當目標不移動或移動非常緩慢且需要無限景深進行3D成像時。

5.6 量子電子戰

關鍵點：

• 通過更小的通用量子天線、精確的定時和先進的射頻頻譜分析儀來增強當前的電子戰。

• 量子通道檢測的問題。

• 當量子通道被定位時，會考慮和開發幾種類型的攻擊。

• 量子電子戰（EW）可分為量子增強經典電子戰和專注于對抗、反對抗和支持量子通道的量子電子戰。量子通道是指攜帶用于量子互聯網、量子雷達或使用自由空間或光纖通道的其他量子系統的量子信息的任何光子傳輸。

用于電子支持措施的經典電子戰系統可以從量子天線中受益。基于里德堡原子的量子天線可以提供與測量信號波長（頻率）無關的小尺寸[122,123]。這意味著即使對于低頻（MHz 到 kHz [124,236]）信號攔截，幾微米的量子天線就足夠了。可以有一組量子天線，用于不同帶寬的多頻測量，也可以有一個天線根據興趣動態改變帶寬。此外，基于里德堡原子的天線可以測量AM和FM信號，提供自校準，測量弱場和強場并檢測到達角[125]。未來，量子天線可能看起來像里德堡原子細胞的陣列（矩陣）。不同的小區可以測量不同的信號，在兩個或多個小區的聯合測量中，可以確定信號的到達角。這種天線最薄弱的方面是冷卻里德堡原子所需的低溫技術，需要按比例縮小到可接受的尺寸。一般來說，量子射頻傳感器是先進（LPD/LPI) 通信、超視距定向射頻、抗射頻干擾和干擾、射頻測向或射頻-太赫茲成像。例如，陣列式量子射頻傳感器被開發為戰斗機F-35[237]的潛在升級。

經典電子戰也可以從量子計算中受益，為電子戰提供改進的射頻頻譜分析儀，可以應用量子優化和量子ML/AI技術。通過直接處理和分析來自RF量子傳感器（里德堡原子，NV 中心）的量子數據[55]可以獲得更高的效率，其中量子計算機的影響可能更為顯著。此外，其他基于量子的解決方案和方法正在開發中，例如基于NV中心的射頻頻譜分析或基于SHB的彩虹分析儀[238]。

當前的電子戰系統也將受益于量子計時。量子計時可以增強信號情報、反DRFM（數字射頻存儲器）和其他需要精確計時的電子戰系統等能力；例如，反雷達干擾能力。

量子電子戰的另一個領域將是信號情報（SIGINT）和通信情報（COMINT）（檢測、攔截、識別、定位）和量子電子攻擊（干擾、欺騙、使用直接能量武器）。量子通道（用于量子通信或量子成像）具有特定的特性。首先，簡單的信號攔截是有問題的，因為量子數據是由單個量子承載的，它們的攔截很容易被檢測到。其次，典型的量子成像技術使用低信噪比，這意味著在沒有額外知識的情況下識別信號和噪聲具有挑戰性。第三，通常用作信號的相干光子表現得像非常聚焦的激光。在不知道至少一方位置的情況下找到這樣的量子信號非常具有挑戰性。

即使對于潛在的量子電子戰系統來說，這種情況也很困難，因為是否有可能檢測到量子（自由空間）通道的存在存在疑問。這將需要開發激光警告接收器的量子類比[239]。對于量子電子戰，使用量子通道獲取有關一方或雙方位置的情報至關重要。

經典電子戰會攔截和竊聽自由空間經典信道。然而，這對于將被迅速檢測到的量子通道來說是不可能的。一種可能的攻擊是中間人類型的攻擊[240,241]，因為早期的量子網絡各方可能在身份驗證或受信任的中繼器方面存在問題。在量子物理層面考慮其他類型的攻擊；例如，光子數分裂攻擊依賴于將相干激光脈沖用于量子通道[81]或特洛伊木馬攻擊[82]，或散射光的收集和檢測[242]。然而，這些類型的攻擊非常復雜，它們的實用性，例如在太空中，是不確定的。

量子電子戰攻擊更有可能只是一種拒絕服務，其中量子信道被攔截，導致信道停止使用。另一種可能性是一側或兩側接收器的復雜干擾，導致巨大的噪聲。當接收器或發射器的位置已知時，經典電子戰的另一個對策是使用激光等定向能武器，導致傳感器損壞或破壞。這種攻擊也可以幫助竊聽者[155]。 總的來說，需要開發新的方法和方法來實現量子電子戰的能力并滿足相應的要求。

5.7 量子雷達和激光雷達

關鍵點：

• 現有的量子微波技術不太可能實現遠程監視量子雷達。

• 光學領域的可能應用——量子激光雷達。

• 量子雷達可用于太空戰。

對量子雷達話題的認知[141,243,244] 受到媒體對中國量子雷達發展的炒作[245,246] 或樂觀的實驗室實驗的影響。確實，量子雷達的理論優勢和特點是顯著的（其中一些取決于單獨的量子協議）：

• 更高的抗噪聲能力——即更好的SNR（信噪比）——更高的抗干擾能力和其他電子戰對抗能力；

• 基于單個光子；即輸出信號功率太低，電子戰措施看不到；

• 目標照明；也就是說，可以識別目標的雷達。

根據獨特的量子雷達功能列表，它可能是一種強大的顛覆性技術，可以改變現代戰爭的規則。因此，盡管技術不成熟，量子雷達能否作為標準的初級監視雷達存在諸多疑慮，但國際上仍對這一話題給予關注。 此外，許多人立即將量子雷達想象為具有數百公里范圍的遠程監視雷達，而量子雷達的這種應用似乎不太可能[247,248]。這種最佳的長期監視量子雷達將非常昂貴（比任何范圍的經典雷達成本高出許多數量級）[247]，并且它仍然無法滿足上面列出的所有優勢和特性。

簡而言之，實際問題如下[247]。量子雷達也受制于雷達方程，其中接收功率隨距離的四次方而損失。同時，為了保持量子優勢，每個模式最好有一個或更少的光子。總之，需要在微波范圍內產生由低光子模式構成的相對較高的功率。這需要大量的量子信號發生器、低溫裝置、大天線尺寸等。所有這些都導致極高的成本和不切實際的設計[137,247]。科學家們需要想出更實用的量子微波技術來克服這些困難。

除了高昂的價格外，人們還對探測隱身目標或抗干擾能力持懷疑態度。量子雷達對抗彈幕干擾器可能有優勢，但不一定對抗 DRFM 或其他智能干擾器[247]。綜上所述，遠程監視量子雷達即使作為一個長期前景也不太可能實現。為了實現這一目標，人們需要發展新技術，允許更小的低溫裝置、在更高溫度下工作的射頻量子發射器或更有效的低溫裝置冷卻，以及更強大的發射器（低光子脈沖的高速率）。請注意，即使開發了室溫超導材料，它也無助于產生糾纏微波光子的約瑟夫森參量放大器 (JPA) 方法[249]。然而，JPA 并不是獲得糾纏微波光子的唯一方法[137]。未來發現新的量子雷達理論和設計并非完全不可能。上述遠程監視量子雷達尺寸大、重量大、功耗大，這種雷達是否具有隱身性值得懷疑[247]。

另一個問題是量子照明（QI）協議情況下的測距。QI 協議需要事先了解目標，因此它需要對測距進行一些擴展，無論是經典的還是量子的[6]。

幾年來，人們認為量子雷達截面 (RCS) 高于經典雷達的RCS[250,251]。對量子RCS[252]進行的一項新的精確研究表明，先前聲稱的量子RCS優于經典RCS的優勢是錯誤近似的結果。目前，量子和經典RCS似乎是平等的。

另一種方法可以是量子增強噪聲雷達[137、253、254]。噪聲雷達使用噪聲波形作為發射信號，根據發射信號與接收到的噪聲波形雷達回波之間的相關性進行檢測。優點是截獲概率(LPI)低，現在的截獲接收器幾乎無法檢測到。量子噪聲雷達設計需要更多研究才能看到實際適用性。然而，這里的潛在用途尤其適用于微波方案。

盡管如此，目前的理論和研究在雷達領域仍有應用，尤其是使用光學或近光學光子的領域；也就是量子激光雷達。在這里，短程量子激光雷達可用于短距離目標照明。從10[255]到45公里[256]演示了單光子成像實驗。在這個范圍內，量子激光雷達可以作為反無人機監視雷達或作為SHORAD（短程防空）綜合體的一部分運行。

空間可以是量子雷達/激光雷達[257]有利環境的另一個例子，它對光學系統來說是低噪聲的，它甚至幾乎消除了糾纏光子情況下的退相干問題。例如，雷神公司在空間域[258,259] 的光學狀態下對量子雷達進行了模擬。這個想法是在衛星上放置一個量子雷達，并探測由于截面積小、反射率和環境照明條件小而難以探測到的小型衛星。為空間環境部署量子雷達/激光雷達幾乎可以提供上述所有優勢。

這里有一個小筆記專門介紹量子增強雷達。經典雷達可以配備原子鐘或量子鐘。這種量子增強雷達顯示出高精度和低噪聲，因此在檢測小型、緩慢移動的物體（如無人機）方面表現出優勢[260]。

5.8 量子水下戰

關鍵點：

• 潛艇可以成為量子慣性導航的首批采用者之一。

• 量子磁力計作為探測潛艇或水下水雷的主要工具。

量子技術可以顯著干擾水下戰爭，增強對潛艇或水下水雷的磁探測、新型慣性潛艇導航和量子增強精確聲納。一般來說，在海洋環境中，可以應用基于量子光電探測器、雷達、激光雷達、磁力計或重力儀的傳感[257]。有關量子技術對核武器潛艇近乎無懈可擊的影響的一般概述，請參閱[261]。

潛艇和其他水下航行器將受益于 Sect 中描述的量子慣性導航。 5.4關于PNT。大型潛艇可能是量子慣性導航的首批采用者之一，因為它們有能力安裝更大的量子設備，包括低溫冷卻。此外，靈敏的量子磁力計和重力儀可以幫助繪制海底峽谷、冰山和起皺的海底等環境，而無需使用易于檢測的聲納。另一種特別適用于水下北極導航的慣性導航的例子是基于量子成像[262]。

反潛戰的基本工具可能是量子磁力計。研究人員預計，尤其是SQUID磁力計可以檢測 6 公里外的潛艇，同時仍能改善噪聲抑制[263,264]。請注意，目前通常安裝在直升機或飛機上的經典磁異常探測器的探測范圍只有數百米。一系列量子磁力計，例如沿海岸，可以覆蓋重要區域，從而導致潛艇無法進入區域。此外，一組量子磁力計似乎在抑制噪聲的情況下工作得更好。

量子磁力計也可用于探測水下水雷，例如，使用無人水下船只[230]。

但是，主要討論的是檢測范圍、靈敏度等，如Sect. 5.5.1 甚至聲納等其他水下領域技術也提供了更長的探測范圍[229]。[261]中還指出，量子技術對SSBN（彈道導彈潛艇）影響不大。量子磁力計有可能與其他傳感器一起工作，以幫助檢測、識別和分類目標[229]。

5.9 量子空間戰

關鍵點：

• 對長距離量子通信很重要。

• 近地軌道對于未來量子傳感和成像技術的部署將很重要。

• 太空戰將導致新的量子雷達/激光雷達和量子電子戰技術部署在太空中。

太空領域的重要性日益凸顯，將成為先進國家的重要戰場。太空過去主要用于衛星導航、測繪、通信和監視，通常用于軍事目的。如今，太空正變得越來越武器化[265]；例如，帶有激光武器的衛星或“神風敢死隊”衛星被放置在地球軌道上，反衛星戰也在同步發展。另一個激增的問題是太空垃圾的數量，估計有 2,200 顆衛星，還有幾顆計劃被釋放[266]。

空間也將是在衛星中部署量子傳感和通信技術的關鍵[267–271]，以及空間對策。

對于前幾節中描述的許多量子技術應用，最好將量子傳感技術（例如量子重力儀、重力梯度儀或磁力儀）放置在地球軌道上的衛星上，尤其是低軌道（LEO）衛星上。此類應用程序正在開發中；例如，一種低功率量子重力感應設備，可以部署在小型衛星上的太空中，用于準確繪制資源圖或幫助評估自然災害的影響[272]。然而，這樣的應用不需要太高的空間分辨率。見節。5.5.1進行詳細討論。這同樣適用于基于衛星的量子成像。例如，中國聲稱開發了一顆使用幽靈成像技術的間諜衛星[273]。然而，它的空間分辨率是多少尚不確定。盡管如此，量子重影成像的優勢在于可以在多云、有霧的天氣或夜間使用。

另一方面，已經證明利用衛星進行量子通信[62,274]。基于衛星的量子通信對于近期的遠距離集成量子網絡至關重要[275]。目前的量子通信衛星存在與光纖通道可信中繼器相同的問題。事實上，目前的量子衛星是值得信賴的中繼器。受信任的中繼器的問題在于，它們為可能對衛星控制系統進行的網絡攻擊敞開大門。目前演示的MDI-QKD協議是一種更好的安全狀況[276]，其中中心點用作中繼器或開關，但處于安全狀態，后來使用量子中繼器。有關空間量子通信概述，請參見[270,271]。

一項新的所需軍事能力將是檢測其他衛星、太空物體、太空垃圾并對其進行跟蹤的技術。經典雷達用于此目的；例如，作為美國太空監視網絡一部分的太空圍欄項目[277]。然而，這些空間監視雷達中的大多數都存在尺寸約為 10 厘米或更小的物體的問題[266]（在太空圍欄的情況下，最小尺寸約為 5 厘米），另一個問題是容量，如他們可以跟蹤多少個對象。大多數只有幾厘米大小的太空垃圾就是這種情況。代替經典雷達，量子雷達或激光雷達被考慮[6,257,259]作為備選。特別是對于空間環境，考慮了光學狀態下的量子雷達[259]，因為光學光子不會遭受諸如在大氣中的損失。空間量子雷達可以提供量子雷達的大部分優點，如第 3 節所述。 5.7，包括隱身。根據模擬[259]，與GEODSS（陸基電光深空監視）相比，太空中的量子雷達可以提供至少一個數量級的太空探測靈敏度和目標跟蹤靈敏度。空間量子雷達對于跟蹤小型、黑暗和快速的物體非常有用，例如衛星、太空垃圾或流星體。

太空中越來越多的量子傳感和通信設備將導致人們對量子電子戰的興趣增加，如第5.6節所述。

5.10 化學和生物模擬與檢測

關鍵點：

• ～ 200 個量子位足以進行化學量子模擬研究。

• 實現更復雜模擬的能力隨著邏輯量子比特的數量而增加。

• 空氣或樣品中的化學物質檢測。

• 適用于探測爆炸物和化學戰劑。

與國防相關的化學和生物模擬主要對軍事和國家實驗室、化學國防工業或 CBRN（化學、生物、放射和核）國防力量感興趣。基于量子模擬的新藥和化學物質研究需要先進的量子計算機、經典計算設備和量子化學專家。化學和生物化學戰劑的量子模擬原則上與民用研究具有相同的要求，例如已經在進行的蛋白質折疊、固氮和多肽研究。

所需量子比特的數量取決于空間基函數的數量（存在各種基組，例如STO-3G、6-31G 或 cc-pVTZ）；例如，使用6-31G基礎，苯和咖啡因分子可以通過大約分別為140和340個量子位[278]。例如，沙林分子模擬需要大約250個量子比特。根據量子計算機路線圖[27,279] 和邏輯量子比特要求，一個人可以在10年內達到100個邏輯量子比特，但可能更早，更有效的糾錯和抗錯誤量子比特。這對于中型分子模擬來說已經足夠了。

威脅可能是新的中小型分子的結構和化學特性的設計和精確模擬，這些分子可以發揮化學戰劑的作用，例如氰、光氣、氯化氰、沙林或Yperit。另一方面，一般來說，相同的知識也可用于CBRN對策和新檢測技術的開發。

蛋白質折疊、DNA和RNA探索的研究，如基序識別、全基因組關聯研究和從頭結構預測[280]也可能影響對生物制劑的研究[281]。然而，需要更詳細的研究來評估量子模擬的真正威脅。

使用量子級聯激光器的光聲檢測作為化學檢測器將是有效的。例如，量子化學探測器可以檢測用于非對稱沖突中常用武器的簡易爆炸裝置(IED)中的TNT和三過氧化三丙酮元素。用于檢測丙酮的同一系統可用于發現行李和攜帶爆炸物登機的乘客。一般來說，量子化學檢測可用于對抗化學戰劑或有毒工業化學品[282,283]。

從中長期來看，此類探測器可以放置在正在檢查某個區域的自主無人機或地面車輛上 [284]。

5.11 新材料設計

關鍵點：

• 一般研究影響；例如，允許高精度SQUID磁力計在不冷卻的情況下運行的室溫超導可以對軍事量子技術應用產生顯著影響。

• 國防工業研究偽裝、隱身、超硬裝甲或耐高溫材料。

現代科學正在通過利用量子力學特性（例如石墨烯、拓撲絕緣體）來開發新材料、超材料，有時稱為量子材料。作為量子系統的材料可以通過量子計算機進行模擬；例如，材料的電子結構。例如，考慮的應用可以是室溫超導體、更好的電池和特定材料特性的改進。

為了更詳細地解釋，例如，室溫超導材料利用高溫下的超導性[285]。這將允許構建約瑟夫森結，通常用作SQUID或超導量子比特的構建塊。到目前為止，需要在絕對零附近進行冷卻。預計具有約70個邏輯量子比特[286]的量子計算機足以進行高溫超導體的基礎研究。

對于國防工業而言，正在考慮研究新材料的機會，例如更好的偽裝、隱身（電磁吸收）、超硬裝甲或耐高溫材料設計，但沒有透露任何細節。

5.12 腦成像和人機交互

關鍵點：

• 量子啟用的腦磁圖

• 增強的人機界面

MEG（腦磁圖）掃描儀是一種醫學成像系統，它通過測量流經神經元組件的電流產生的磁場來可視化大腦正在做什么。量子磁力計——例如，基于光泵磁力計[287]——可以實現高分辨率腦磁圖，用于實時大腦活動成像。該技術安全且無創，并且已經過實驗室測試。該技術本身很小，而且可穿戴[287]。

在短期內，量子 MEG 可以成為士兵頭盔的一部分，用于在受傷時進行連續和遠程醫療監測和診斷。長期的期望包括增強人機接口，即與機器和自治系統進行實際的非侵入性認知通信[11]。

6 樂觀與悲觀

上面提到的許多量子技術軍事應用聽起來非常樂觀，可能會導致夸大的期望。一些應用取自各種報告和報紙或雜志文章，其中作者可能高估了從實驗室到戰場的量子技術轉移或受到一般量子技術炒作的影響[288]。當話題涉及國家安全或國防時，避免夸大預期尤為重要。這個問題已在[14]中描述。

上述量子技術軍事應用基于公共領域的最新研究，并輔以有關國防應用的各種報告和報紙或雜志文章。沒有針對幾種技術對其可行性進行批評性評論，因為沒有相同的公開信息。在這些情況下，讀者應該更加小心和挑剔，直到獲得更詳細的研究。

另一方面，眾所周知，大型國防公司和國防實驗室已經進行了幾年的量子研發計劃。但是，只有一些詳細信息是公開傳達的。相反的極端似乎包括公告，例如來自中國的公告 [245,246,263,273]，在這些公告中，很難將真正的研究進展與國家的戰略宣傳[289]分開。

對于許多提到的量子技術，迄今為止只提供了實驗室的概念證明。決定量子技術是否會在實驗室外普遍使用的決定性因素是組件的小型化和對干擾的敏感性。這些改進不能以犧牲靈敏度、分辨率和功能為代價。實際部署的另一個決定性因素是技術的價格。

總之，考慮到過去幾年量子技術研究和支持系統的進步，例如激光和低溫冷卻的小型化，對未來的量子技術軍事應用持樂觀態度而不是悲觀是合理的（從軍事的角度來看）或政府行為者）。需要注意運營部署中的實際能力，看看它們是否滿足要求，以及性價比是否可以證明采購和部署的合理性。

7 量子戰的后果和挑戰

用于軍事應用的量子技術的開發、獲取和部署將帶來新的相關挑戰。量子戰的概念將對軍事戰略、戰術和理論、倫理和裁軍活動以及技術實現和部署提出新的要求。應該進行研究以了解量子技術發展產生的問題、影響、威脅和選擇，而不僅僅是為了軍事應用。

7.1 軍事后果和挑戰

軍事應用中的量子技術具有增強現有能力的潛力，例如通過提供更精確的導航、超安全通信或先進的 ISTAR 和計算能力。一般來說，量子戰需要更新、修改或創建新的軍事學說、軍事場景以及為量子時代開發和獲取新技術和武器的計劃。

在此之前，需要制定技術政策和戰略來響應各個參與者的戰略雄心[290]。國家技術政策和戰略應包括，例如，國家量子技術資源（大學、實驗室和公司）和市場的研究、發展狀況和可行性研究以及軍事和安全威脅和潛在評估，例如[261]。

監測量子技術的演變和適應對于避免鄰國或潛在敵對國家造成的技術意外至關重要。即使量子技術超出了某些國家的財政、研究或技術能力，量子戰監測也是必不可少的。因此，所有現代軍隊都應該對量子戰可能產生的影響感興趣。

國家貿易和出口政策也很重要。例如，歐盟已宣布量子計算是一項具有全球戰略重要性的新興技術，并正在考慮對名為Horizon Europe[291]的研究計劃的訪問進行更嚴格的限制。此外，中國還禁止出口密碼技術，包括量子密碼技術[292]。

另一個話題是與盟友仔細溝通重要的量子優勢，特別是在量子ISTAR和量子網絡能力方面，這些能力可以揭示軍事機密，例如機密文件、核潛艇的位置或地下設施。力量平衡的重大破壞可能會擾亂盟友以及中立或敵對玩家[9]。

7.2 和平與倫理的后果和挑戰

迄今為止，量子技術的軍事應用已被繪制在Sect中。 5不引進新武器，即使它們提高了現有的軍事技術；例如，通過開發更精確的傳感和導航、新的計算能力和更強的信息安全。然而，量子技術，特別是用于軍事應用，對世界和平是好是壞的問題是相關的。

已經出現了對量子計算[293–295]道德準則的各種呼吁，其中提到了道德問題，例如人類DNA操縱、為戰爭創造新材料和侵入性人工智能[294]。

盡管量子技術不會產生新武器，但它們對現有軍事技術的改進將提高這種能力，縮短攻擊、警告和決策的時間。因此，即使在降低個人風險的同時，量子技術也可以更有可能使用武力[296]，從而使戰爭更有可能發生[297,298]。

諸如量子技術等通用兩用技術的預防性軍備控制將更加困難，因為它們也可以用于民用應用，例如用于醫學的量子傳感。已經與納米技術進行了類比[299]。防止或減緩其他國家或非國家團體的擴散和軍事使用的出口管制是試圖減少量子技術構成的任何威脅的最有可能的方式[298]。

具體來說，量子計算的研發成本非常高。然而，目標是開發一種允許簡單可靠的量子比特生產的技術。這可以為技能較少的參與者帶來更便宜、更廣泛分布和更容易獲得的技術，這是即將出現的有問題的軍事技術的一個特征[298]。

7.3 技術后果和挑戰

將成功的實驗室概念驗證轉移到真正的“外部”應用面臨許多技術和技術挑戰，例如小型化和可操作性，而不是以實驗室實現的靈敏度和分辨率為代價。此外，還有其他相關的技術挑戰。

一個重要的問題可能是量子勞動力。量子勞動力不需要包括物理學家或擁有博士學位的科學家。但是，他們應該是具有量子信息科學知識和量子技術概述的量子工程師，能夠理解并能夠處理和評估來自量子傳感器、計算機和通信的傳出數據。目前，現有的量子生態系統正在不斷增長，這個生態系統將需要越來越多的量子勞動力[300]。這需要培訓和教育新的量子工程師和專家；也就是說，更多的大學提供量子課程，更多的學生選擇學習這些課程。此外，讓這些人在軍隊工作可能更加困難。因此，量子信息和量子技術的基本原理也應該成為現代軍隊軍事學院課程的一部分，量子技術已經或將要部署的地方。

另一個技術挑戰將是海量數據。量子技術通過所有的量子傳感器、量子成像、量子通信和計算，將產生大量經典和量子數據，這將增加對數據傳輸、處理和評估的要求。在規劃 C4ISR 和量子基礎設施期間應考慮這些要求。

最后的挑戰將是標準化。標準化過程對于不同生產商制造的設備的互操作性很重要。除了統一接口和通信協議，標準化過程還可以包括安全驗證，例如在后量子密碼標準化過程中[90]。在量子網絡的情況下，特別是各種連接的設備（如節點、中繼器、交換機、光纖通道和開放空間通道）可以預期，因此開發和實施一些允許成功傳輸的標準非常重要量子信息。

8 結論

量子技術是一個新興的技術領域，它利用對單個量子的操縱和控制來實現具有顛覆性潛力的多種應用。這些應用中有許多是雙重用途或直接用于軍事目的。但是，從TRL 1（觀察到的基本原理）到TRL 6（在相關環境中展示的技術），單個量子技術處于用于軍事用途的 TRL。

用于軍事應用的量子技術不僅將提供改進和新的能力，而且還需要制定新的戰略、戰術和政策，評估對全球和平與安全的威脅以及識別道德問題。所有這些都包含在“量子戰”一詞中。

在本報告中，描述了不同TRL的各種量子技術，重點關注在國防領域的可能利用或部署。由于從實驗室到現實世界應用的過渡尚未實施或正在進行中，因此無法準確預測量子技術的部署。這引發了一些問題，例如我們是否能夠達到提供真正量子優勢的解決方案，而經典系統通常要便宜得多，而且通常已經在行動。盡管對量子技術可能的軍事應用的描述聽起來非常樂觀，但人們應該警惕量子炒作，并提請注意實際部署量子技術用于軍事應用之前面臨的挑戰。

量子技術有望產生戰略和長期影響。然而，技術意外影響軍隊和國防力量的可能性相當低。避免意外的最好方法是培養量子技術知識和監控量子技術的發展和就業。用心對待量子技術，將起到量子保險的作用。

量子技術和生物技術是對安全和國防產生越來越大影響的關鍵新興技術。如何利用這些新興技術來加強（國際）國家安全？這些關鍵技術給荷蘭帶來了哪些潛在挑戰？

戰略警報解決了這些問題，并總結了以下關鍵要點：

• 量子計算技術將能夠打破當前的（非對稱）加密標準并促進網絡攻擊。

• 荷蘭應投資于歐洲層面的量子技術發展合作，以加強整個歐洲量子價值鏈。

• 荷蘭應就疫苗和療法的開發做出明確和早期的安排（最好在歐盟層面），為下一次大流行做好準備。

• 集中協調生物技術研究將使荷蘭在該領域發揮更突出的作用。

• 荷蘭應將基因改造對脆弱生態系統可能產生的負面影響納入其規劃過程。

• 荷蘭應投資研究生物技術的可能應用，以創造和改進可再生能源。

• 荷蘭應監測這兩種技術相對于其他國家的潛在依賴關系，并應優先保持對那些對發展戰略自主權至關重要的要素的控制。

低速、慢速和小型 (LSS) 飛行平臺的普及給國防和安全機構帶來了新的快速增長的威脅。因此，必須設計防御系統以應對此類威脅。現代作戰準備基于在高保真模擬器上進行的適當人員培訓。本報告的目的是考慮到各種商用 LSS 飛行器，并從不同的角度定義 LSS 模型，以便模型可用于LSS 系統相關的分析和設計方面，及用于抵制LSS系統（包括探測和中和）、作戰訓練。在北約成員國之間提升 LSS 能力并將 LSS 擴展到現有分類的能力被認為是有用和有益的。

【報告概要】

在安全受到威脅的背景下考慮小型無人機系統 (sUAS)（通常稱為無人機）時，從物理和動態的角度進行建模和仿真遇到了一些獨特的挑戰和機遇。

無人機的參數化定義包括以下幾類:

• 類型學，指的是無人機可以飛行的模式;
• 用于制造無人機的材料;
• 飛行性能;
• 螺旋槳種類;
• 分類;
• 導航系統;
• 遠程控制器特性(如果有);
• 有效載荷，考慮自身傳感器和可能的危險；
• 通信系統。

描述無人機飛行動力學的分析模型在數學上應該是合理的，因為任務能力在很大程度上取決于車輛配置和行為。

考慮到剛體在空間中的運動動力學需要一個固定在剛體本身的參考系來進行合適的力學描述，并做出一些假設（例如，剛體模型、靜止大氣和無擾動、對稱機身和作用力在重心處），可以為 sUAV 的飛行動力學開發牛頓-歐拉方程。

在檢測 sUAS 時，必須考慮幾個現象，例如可見波范圍內外的反射、射頻、聲學以及相關技術，如被動和主動成像和檢測。

由于需要多個傳感器檢測 sUAS，因此有必要考慮識別的參數以便針對不同類型的檢測器對特征進行建模。此外，對多個傳感器的依賴還需要在信息融合和集成學習方面取得進步，以確保從完整的態勢感知中獲得可操作的情報。

無人機可探測性專家會議表明了對雷達特征以及不同無人機、雷達和場景的聲學特征進行建模的可能性，以補充實驗數據并幫助開發跟蹤、分類和態勢感知算法。此外，雷達場景模擬的適用性及其在目標建模和特征提取中的潛在用途已得到證實。

然而，由于市場上無人機的復雜性和可變性以及它們的不斷增強，就其物理和動態特性對無人機簽名進行清晰的建模似乎并不容易。

sUAS 特性的復雜性和可變性使得很難完成定義適合在仿真系統中使用的模型的任務。這是由于無人機本身的幾個參數，以及考慮到無人機的所有機動能力和特性所需的飛行動力學方程的復雜性。

此外，sUAS 特性的復雜性和可變性不允許定義用于評估相關特征的參數模型。

圖1 無人機類別與其他類別/參數的關系（part 1）

圖2 無人機類別與其他類別/參數的關系（part 2）

圖3 參考坐標系

【報告目錄】