中共量子技術之作戰應用
2022.12.16
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壹、新聞重點
2022年11月1日，中共手機大廠「華為」公司公布其「超導量子晶片」專利，指出該項發明降低了量子比特串擾。「華為」投入量子晶片研發超過5年，已公開多項量子技術專利。此外，據聞中共量子電腦「悟空」即將公開，第一條量子晶片產線正加緊趕工，並採用合肥「本源量子」公司研發的「NDPT-100無損探針電學測量平台」來提高良率。同時，中國科學技術大學也在11月20日宣布已實現通訊波段光子之量子存儲，可直接對接現行的光纖網路，未來可能建構出長距離、大尺度的光纖量子網。 [1]
另一方面，美國國防部11月29日公布《2022年中國軍力報告》（2022 China Military Power Report），指出中共在2021年曾討論新核心作戰概念──「多領域精確作戰」（Multi-Domain Precision Warfare），以大數據和人工智慧等技術，找出對手作戰系統之脆弱點後予以精準打擊。同時，中共也透過軍民融合戰略取得軍民兩用的新興技術，如：人工智慧、自主系統、量子技術、生物技術、先進材料等。[2]
儘管量子技術目前仍處於「概念驗證」（Proof of Concept, POC）階段，距離實用化尚需相當的時間，但是中共量子技術在美國強力的科技圍堵下仍持續進展，且作戰應用可能優先落實，值得我國特別注意。
貳、安全意涵
一、中共將率先建立全球量子通訊網
量子技術 [3]主要分為「量子計算」、「量子通訊」、「量子感測」三大領域，[4] 中共量子通訊技術目前持世界牛耳，且可能最先完成產業化。[5] 繼2012年開通全球第一個量子通訊網路「合肥城域量子通信試驗示範網」之後，中共2016年成功發射全球第一顆量子衛星「墨子號」，其後陸續達成「星地（衛星─地面）量子密鑰分發」（Quantum Key Distribution, QKD）、「地星（地面─衛星）量子隱形傳態」及「千公里級量子糾纏密鑰分發」三大技術突破。2017年，中共開通全長2,000餘公里的量子通訊線路「京滬幹線」，並在「墨子號」與「京滬幹線」之星地鏈結下，透過奧地利學者柴林格（Anton Zeilinger）[6] 和中國量子專家潘建偉之師徒合作，完成全球首次跨洲（北京─維也納）量子通訊之視訊通話。
「星地量子密鑰」分發成功，使中共能以「低軌衛星」（LEO）為中繼站，進行全球任意兩個地點之間的密鑰共享。若進一步結合地面光纖量子通訊網路，可建立覆蓋全球的量子通訊網。目前中共正計畫建構長達35,000公里的「全國量子互聯網」，範圍擴及新疆烏魯木齊和西藏拉薩。量子通訊除可確保訊息內容不被半途截取或竊聽之外，[7] 「量子數位簽名」（Quantum Digital Signature, QDS）和「量子身份識別」（Quantum Secure Identification, QSI）也可提高通訊安全。在軍事應用上，量子通訊網除了保障軍事通訊安全之外，也可作為軍用6G技術協助太空、特種部隊及不同軍種之間的量子通訊，並解決水下通訊易受到干擾之問題，提高水下作戰能力。 [8]
二、中共量子計算技術將加速無人智慧化戰爭之實現
全球量子計算市場目前以美國和中國為兩大領先者，推動相關系統軟體和演算法之發展，並有多種技術途徑，以超導和「離子陷阱」（Ion Trap）技術之發展較為超前。2020年5月8日，中共公開超導量子電腦原型機「祖沖之號」；同年12月4日又宣布光子量子電腦原型機「九章」建構成功，目前正運用離子陷阱技術提升光量子晶片之計算能力。 [9]
量子電腦可結合人工智慧和大數據分析，快速處理大量資訊，主要應用在化學類比、系統優化、密碼破解、機器學習等方面。在軍事上，量子計算除了可快速破解公鑰密碼、提高網路作戰能力之外，[10] 還可運用於戰場模擬、無線頻譜分析、後勤管理、能源管理等，也可優化現有的作戰指揮、部署、決策、兵棋推演、系統驗證、預測分析等，並大幅縮短武器設計製造、新材料開發、軍用電池研發之時間；量子邊緣運算則可應用於無人載具或無人武器之協同作戰（參見附表）。此外，中共若能建立戰場「軍事物聯網」（Internet of Military Things, IoMT），可提早實現精準快速且高度複雜的無人智慧化作戰。
三、量子雷達及量子導航等能力將扭轉戰爭態勢
量子感測技術是以量子測量磁場、電場、重力等物理性質，可大幅提昇現有測量之精度，主要有：量子雷達、量子導航、量子成像等。量子感測技術可在高噪音、光線微弱、水下等複雜環境中辨識出目標，現行彈道飛彈、隱形飛機、水下核潛艦等武器優勢將不復存在。[11]
中共2017年宣稱，其「量子成像技術」（Quantum Imaging，QI）已可使間諜衛星在夜間追蹤美國B-2轟炸機和辨識隱形戰機。[12] 「中國電科集團」則在2018年珠海航展中展示全球第一台單光子量子雷達樣機，最近更宣稱已在真實大氣環境下完成百公里級的目標探測試驗，暗指其量子雷達即將問世。 [13]
此外，以高精度量子時鐘為基礎的量子定位、授時和導航（PNT）系統，是透過量子衛星取得衛星與地面間傳遞糾纏光子對之時間差，來確定地面用戶座標。[14] 由於不依賴全球定位系統（GPS）、紅外線或雷達導航，量子導航除了可大幅增強現行全球衛星導航系統（GNSS）之外，在GPS無法作用之環境如：水下、地表下或被電磁波嚴重干擾之環境中也能發揮功能。一旦進入實用化，中共量子導航技術將提高其各種武器之命中率。
參、趨勢研判
一、中共或將發展出「量子戰爭」（Quantum Warfare）
雖然中共亦承認自身的量子技術仍有許多「短板」，且量子技術距離市場化仍需要不短的時間，但是量子技術已被中共視為突破美國科技圍堵、建立科技強國之關鍵技術。「第二次量子革命」將翻轉現有的科技、經濟和作戰模式，可以想見，中共未來仍將以舉國體制，加碼投入各種資源發展量子技術。在此大方向之下，量子產業及量子軍事應用都將加速落實。未來，隨著搭配現有電腦朝小型化、雲端化、邊緣運算方向發展，量子電腦或量子感測器可能部署在更小型的武器裝備上，如：衛星、無人機或單兵手機等，甚至進行「量子戰爭」（參見附圖）。
二、我國恐需預先發展量子防禦能力
中共量子通訊技術目前位居世界第一、量子計算和量子感測技術均居世界第二。因此，中共若將量子技術用於對我作戰，我國恐無任何還擊能力。我國在2022年3月成立量子國家隊，選出17個產學研團隊，並指出未來5年量子科技發展方向。[15] 但是，其規劃多半偏向科技面和經濟面，對於中共未來可能對我進行的密碼破解、量子導航、量子雷達，甚至量子網路戰、量子太空戰和量子水下戰等，沒有任何防禦對策。或許中科院應優先且早期加入量子國家隊，和民間產學研人士合作，共思如何防禦中共未來的量子作戰。
附表、量子技術軍事應用之例
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領域 |
可能應用 |
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量子通訊 |
量子密鑰分發（QKD） |
是量子通訊技術中最為成熟者，已可商用 透過衛星等中繼器，可進行遠距離量子通訊 |
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後量子密碼 |
用於防禦量子電腦之攻擊 美國預計2023-2024年完成標準化 |
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量子通訊網 |
量子網絡：太空、特種部隊、不同軍種間的量子安全直接通訊→軍用6G 量子數位簽名（QDS） 量子身份識別（QSI） 特定位置才能收發的量子密碼技術：軍事衛星通信 量子時鐘更精確的時間同步：C4ISR協同行動 |
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量子計算 |
量子模擬 |
戰場模擬、武器之開發、模擬和驗證 |
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量子優化 |
優化現行作戰部署、演習、系統驗證、預測分析等 破解現有密碼 |
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大數據分析∕機器學習 |
無線頻譜分析、後勤管理、能源管理 決策分析及參考 |
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邊緣運算 |
無人載具或無人武器同一時間內之行動一致性 不同軍種之協同作戰 |
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量子感測 |
量子定位、導航及定時（PNT） |
高精度量子時鐘 量子慣性導航、量子增強導航，可部署在自主無人載具或飛彈上 不需要依賴全球衛星導航系統之量子導航 |
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量子情監偵 |
地表與地下監測：部署於低軌衛星、無人載具之量子感測技術 |
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量子成像：量子3D相機、量子氣體感測器、低信噪比之戰場視覺裝備、量子測距儀、量子鬼成像等 |
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量子水下作戰 |
量子慣性導航可應用於大型潛艦和水下載具 量子磁力計可協助繪製海底地圖、探測水下水雷，配合其他感測器進行水下探測和分析 |
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量子雷達與量子雷射雷達等 |
量子雷射雷達：短距離之目標照明，可運用於反無人機監視、短程防空、太空之小衛星探測 量子增強雷達：高精度低噪音量子雷達，可用於探測無人機等小型慢速移動物體 |
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其他 作戰應用
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量子電子戰 |
更小型的通用量子天線、陣列式量子射頻感測器 量子計算及量子時鐘可增強現有的電子戰系統能力 量子電子作戰可對敵進行干擾、欺騙和阻攔 |
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量子太空戰 |
量子雷達、量子電子戰、量子感測、量子通訊等技術在低軌衛星之部署和研發 |
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生化模擬與檢測 |
至少需要200個以上的量子比特和更多的邏輯比特數量才可進行模擬 可安裝在無人機和地面車輛上，用於檢測環境中的生化毒物等 |
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量子材料 |
利用超導、拓樸等量子特性開發偽裝、隱形、耐高溫等新軍用材料 |
資料來源：作者王綉雯依文獻內容製表。Michal Krelina, “Quantum Technology for Military Application,” EPJ Quantum Technology, (2021) 8:24, https://reurl.cc/DXYWaj.
附圖、量子戰爭所應用之量子技術示意圖
資料來源：Michal Krelina,“Quantum Technology for Military Application”, EPJ Quantum Technology, 2021, Vol. 8, Issue 24, p. 23, https://reurl.cc/DXYWaj.
[1]〈華為「超導量子晶片」專利公佈〉，《全球半導體觀察》，2022年11月03日，https://www.dramx.com/News/IC/20221103-32739.html；〈首條量子晶片生產線有了「火眼金睛」〉，《人民網》，2022年11月30日，https://reurl.cc/10KRmY；〈通訊波段按需式量子存儲實現〉，《人民網》，2022年11月21日，https://reurl.cc/x1NqQb。
[2]全名為《中國軍事與安全態勢發展報告》（Military and Security Developments Involving the People’s Republic of China）, U.S. DoD, November 29, 2022, https://reurl.cc/NGYeAq。
[3]量子技術是指利用量子糾纏（Entanglement）、疊加（Superposition）、隧穿（Tunnelling）、不可複製（No-Cloning Theorem）等量子力學特性而發展之技術。
[4]Kelley M. Sayler, “Defense Primer: Quantum Technology,” Congressional Research Service, November 15 2022, https://crsreports.congress.gov/product/pdf/IF/IF11836.
[5]參見王綉雯，〈中共量子技術之發展〉，《國防安全雙週報》第51期，2022年4月8日，頁35-41；同，〈中美科技戰──量子計算〉，《國防安全雙週報》第29期，2021年5月28日，頁19-23。
[6]奧地利量子論物理學家，2022年諾貝爾物理學獎三位得主之一，是中國量子專家潘建偉在奧地利維也納大學攻讀博士之導師，曾和潘建偉共同發表四篇量子通訊論文。
[7]量子糾纏（Quantum Entanglement）是指在量子力學中，若對一個粒子對（兩個光子、電子或分子）之一進行測量，另一個粒子即使相隔遙遠也能知道測量之發生與結果。由於量子被觀測後會產生「塌陷」（collapse），通訊過程中若被干擾或竊取，可立即被發現。
[8]〈量子技術對現代戰爭的影響〉，《智邦網》，2019年10月17日，https://reurl.cc/Z18Yml。
[9]集邦科技，〈全球量子運算市場遽增 大陸具領先地位〉，《工商時報》，2022年7月24日，https://view.ctee.com.tw/technology/42728.html。
[10]據評估，破解現行加密方法之量子電腦需達2,000萬個量子比特，但是目前最先進之量子電腦最多為433個量子比特。預估2030-2040年間量子電腦將首度破解現行加密方法，美國遂全力推動「後量子密碼學」（post-quantum cryptography）之發展、標準化和運用，見註3。
[11]美國國防部國防科學委員會（Defense Science Board, DSB）認為量子感測技術是軍事應用最為成熟的量子技術，見同註3。
[12]〈中國量子技術再獲突破：鬼成像衛星可在夜間追蹤B2〉，《新浪軍事》，2017年11月28日，http://mil.news.sina.com.cn/china/2017-11-28/doc-ifypceiq4407459.shtml。
[13]〈中國量子雷達即將問世，真正的世界領先，讓隱形戰機失效〉，《頭條匯》，2022年12月7日，https://min.news/zh-hant/military/f03c76f2f06161f92aea33231c821aee.html。
[14]〈量子導航定位系統離我們有多遠〉，《中國科普網》，2022年11月13日，http://www.kepu.gov.cn/www/article/dtxw/893b49d89ffc46aaa565ce8754369acf。
[15]〈量子國家隊成軍，17項團隊底定，聚焦未來量子世代臺灣產業鏈〉，《iThome》，2022年3月22日，https://www.ithome.com.tw/news/150015。