前沿颠覆性技术之太赫兹技术
本文由大柳树防务（）授权转载，作者：丁宏
太赫兹波通常是指频率从0.1～10太赫兹（1太赫兹=1012赫兹）、相应的波长从3毫米到30微米范围内、介于毫米波与红外光之间、频谱范围相当宽的电磁波。
太赫兹波在电磁波谱中占有特殊的位置，处于电子学向光子学的过渡区域，具有微波和红外辐射所不具有的特殊属性，如光子能量低、脉冲宽度窄、穿透性强、频带宽、抗干扰能力强等，受到美、日、英等军事强国的高度重视。经过20多年的发展，大功率太赫兹波辐射源和高灵敏度探测技术的研究取得了关键性的突破，目前太赫兹技术已开始应用于环境检测、生物医学以及天文物理学等领域，展现出很大的优势。太赫兹技术在军事领域也具有广阔的应用前景，一旦实际应用于军事通信、战场侦察、精确制导、反隐身、电子战等军事领域，将会给当前军事领域带来深远影响。谁先掌握太赫兹这一重要频段的相关技术，谁就有可能在军事上领先一个时代。
一、发展现状
大功率太赫兹波辐射源和高灵敏度探测技术取得关键突破。现阶段比较主流的太赫兹波的产生方式包括自由电子激光器、工作于太赫兹频段的气体激光器、真空电子学太赫兹源、超快激光泵浦光电导太赫兹源、太赫兹量子级联激光器以及光子学太赫兹辐射源和其它半导体电子源等。对于太赫兹波的探测，目前主要采用傅里叶变换光谱探测法、时域光谱太赫兹探测法、外差式探测法和太赫兹半导体量子阱探测器直接探测法等。
目前，欧洲、美国、俄罗斯、日本、韩国等主要军事强国都在从事太赫兹技术的相关研究。太赫兹技术发展势头迅猛，多个国家在太赫兹技术的基础研究和应用研究方面都取得了突破性进展。
2012年，德国达姆施塔特工业大学的科学家成功研发出可在常温下使用的微型太赫兹发射器，并创造了1.111太赫兹的电子发射器频率纪录。其核心部件共振隧道二极管（RTD）的面积不足1平方毫米，极大减小了装置整体的体积；2015年，由英国格拉斯哥大学领导的“超宽带太赫兹收发器普适无线通信”(iBROW)项目被列入欧盟“2020地平线计划”支持项目。
美国是太赫兹技术研究的先行者之一。DARPA早在2009年就启动了“太赫兹电子器件”项目的研究，其目标是开发结构紧凑且中心频率超过1太赫兹的关键设备和集成电路技术。2010年，诺•格公司率先成功开发出工作频率在0.67太赫兹的单片集成电路，并在2012年研制出工作频率达0.85太赫兹的固态放大器集成电路，2014年，工作频率进一步提高到1.012太赫兹，达到了既定研究目标。工作频率达1太赫兹的放大器集成电路可望为太赫兹频谱开启更多的研究新领域与创新应用，如为更加隐蔽的小孔径通信、高分辨率成像、提高爆炸物探测能力提供保障等。随着太赫兹器件的加入，集成电路的运行速度将获空前提高，特别是在军事通信和雷达等重要应用方面，雷达变得更加敏感，传感器分辨率显著提高。
诺•格公司研制的世界第一台太赫兹示意图
二、发展趋势
太赫兹技术发展将更多地依赖于多学科交叉融合。通过与一些新兴前沿学科领域相结合，如太赫兹与生物医学、微纳米科技、材料科学、光学等学科的紧密结合，不仅给太赫兹技术研究提供新的手段，也为其带来了更加广泛的应用前景。
太赫兹成像技术将朝实时性、高分辨率、远距离和便携式等方向发展。采用的技术手段主要包括：扫描方式优化技术、合成孔径技术和阵列接收技术等。在新型太赫兹成像技术方面，基于太赫兹量子级联激光器的成像技术是未来太赫兹成像领域重要的发展方向之一。
发展高功率的太赫兹源、强化太赫兹波的探测能力是未来太赫兹通信技术的主要发展方向。从目前的研究看，通信系统还需要解决输出功率低的问题，因此提高太赫兹源的功率是未来发展的主要目标之一，解决途径主要集中在具有较好频率响应特性的中红外波段量子级联激光器和量子阱探测器件上。
三、应用前景
由于太赫兹波展现出的优越特性，目前主要军事强国竞相开发太赫兹技术，抢夺太赫兹领域的制高点，可以预测在不远的将来，太赫兹技术将会广泛应用于众多军事领域。
军事通信领域，太赫兹频段带宽宽、传输速率高，可极大拓宽无线电通信网络带宽，实现大容量高速通信。美国目前正在以太赫兹技术为基础，开发数据传输速率为25Gbps～250Gbps的卫星交链通信系统。由于太赫兹波的频率远高于当前卫星通信普遍采用的微波频率，其波束可以更窄，而且其近0.1太赫兹的超大带宽也是目前的厘米波、毫米波段所不能及的，太赫兹波将能提供成千上万个高容量、抗干扰通信信道，足以满足大数据速率的通信要求。
态势感知领域，太赫兹雷达能够获取比微波雷达更清晰的目标外形特征，从而提高目标图像的分辨率。由于采用合成孔径技术的太赫兹雷达所使用的太赫兹波长要远远小于目前传统相同孔径雷达系统使用的电磁波波长，因此太赫兹合成孔径雷达具有更高的分辨率和信噪比。此外，太赫兹合成孔径雷达还具有优良的穿透沙尘烟雾的能力，可以实现全天时、全天候不间断工作。鉴于太赫兹合成孔径雷达可大大提高战场态势感知能力，在军事侦察、军事测绘以及空间态势感知等领域中有着广阔的应用前景。
监视探测领域，太赫兹技术可应用于导弹预警。导弹尾焰分子在太赫兹频段上可吸收能量并在光谱上特定频率范围内形成吸收线，通过光谱分析可对导弹尾焰进行识别，实现对战略或战术导弹的密切跟踪监视，精确确定导弹发动机的关机时间，进行导弹防御。
太赫兹技术在安全检查、反隐身等领域也有重要应用前景。在安全检查方面，太赫兹波可以穿透墙体对房屋迅速扫描，又由于其波长比电磁波更短，可以形成对房屋内所有物体的精细三维图像，用于城市及反恐作战。在反隐身方面，对于通过外形设计而实现隐身的目标而言，当采用超宽带太赫兹技术的雷达照射该目标时，可以接收从隐身飞机散射中心返回的一系列回波，这些回波携带了一系列关于目标不同角度的信息，通过对这一系列回波实施逆向合成孔径处理之后，就能得到目标真实图像，从而实现反隐身。此外，利用材料实现隐身的目标在面对太赫兹雷达时同样也会失效。
作者研究领域：国防基础性、前瞻性、颠覆性技术体系和技术预见等
联系方式：010-82505179
前沿颠覆性技术之量子计算
本文由大柳树防务授权转载
量子计算是以量子力学原理为基础，以实现高效的信息输入、处理、输出为目标的一门信息计算技术。量子计算的核心是以量子态编码、存储、处理信息，其优势来源于量子相干叠加和纠缠特性，因而具备天然的量子并行特性。量子计算被认为是下一代计算机的重要发展方向，在超高速并行计算、大容量数据快速搜索、最优化问题、人工智能、密码破解、量子模拟等方面具有得天独厚的优势，特别是其强大的并行处理能力可瞬间破解现有的RSA公开密钥体系。
（一）研究进展
美欧等国政府竞相出台科研计划，投入巨资推进量子计算技术研究。美国国防部、美国能源部、美国国家标准技术研究院、美国国家科学基金会、情报先进研究计划署（IARPA）等政府部门启动了一系列项目，对量子计算进行全面、系统的研究。其中，IARPA于2016年初启动了两个具有代表性的为期五年的量子计算项目，一个项目是研发通用量子计算机芯片（即量子逻辑门），旨在攻破通用型量子计算机最关键的技术难点；另一个项目是研发专用量子计算机（即量子增强优化），旨在对多种量子加速算法进行验证。美国政府每年资助量子信息技术基础研究和应用研究经费大约为2亿美元。2015年5月，英国政府发布“国家量子技术规划”，将投资2.7亿英镑用于国家量子技术项目，并计划两年内开发出规模达到20量子比特的处理器。欧盟委员会2016年宣布将于2018年启动投资规模达11亿美元的“量子旗舰”计划，促进包括量子计算机在内的多项量子技术的发展。
量子计算理论研究愈加深入，推动量子计算技术快速成熟。量子信息论主要研究量子纠缠理论、量子态叠加和相干性原理、量子不可克隆定理等量子信息基础理论。最近的研究表明，包含经典和量子两部分的关联可能比纠缠更广泛、更基础，纠缠只是作为一种特殊的量子关联存在。量子算法是利用量子并行性进行有效量子计算的关键，在量子计算机发展中有着至关重要的作用。目前，探索新的明显有效于经典计算算法的量子算法已经成为量子计算理论研究的一个重要研究方向。量子编码主要用于解决可靠性、纠错、避错、防错问题，是迄今发现的克服量子计算机物理实现面临的最大障碍——消相干问题最有效的方法。目前，人们几乎找到了所有经典编码的量子对应，正在致力于寻找具有更高编码效率的量子纠错码方法。除了构造新型量子码之外，量子码的纠错译码和容错机制也是重要的研究课题。
量子计算芯片研究不断取得突破，推进量子计算实用化进程。2015年1月，麻省理工学院成功在芯片上集成了光探测器阵列（利用光子进行量子计算的关键器件），为未来研制更大更密集的探测阵列，增加了探测灵敏度奠定了基础。2015年5月，IBM公司研究人员开发出一种可扩展的方形量子位电路设计，能同时检测和测量比特翻转和相位翻转两种量子错误，可有效降低量子计算出错风险。2015年12月，慕尼黑工业大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室及斯坦福大学物理学家掌握了半导体纳米结构量子点数据丢失的机制，并成功利用外部磁场实现防止信息丢失。新的器件由常见的半导体材料采用标准制造工艺制备出来，从而极大地降低了实现难度。2016年3月，麻省理工与奥地利茵斯布鲁克大学设计并搭建了一台利用脉冲激光在每个原子上实现Shor算法（迄今为止最复杂的量子算法）的量子计算机，标志着量子计算机研究正在从基础物理学问题变为工程问题。2016年8月，麻省理工学院研制出一款利用离子作为量子位的量子计算原型芯片，通过把用于量子位元的离子阱和激发量子态的激光光路集成在一起，实现了将量子信息处理系统集成到单芯片上，使量子计算器件微型化和量子计算机实用化又迈出了重要一步。
量子计算机实用化样机不断涌现。以IBM、谷歌、微软和因特尔公司为代表的高科技公司非常重视量子计算对于未来信息技术的推动作用，加大了在量子计算机研发方面的投入，相关研发方向囊括了量子计算的“全生态链”。2016年5月，IBM纽约实验室研制出有5个量子比特的量子计算机，并向公众开放用于进行算法或实验模拟。2015年12月，谷歌、NASA与美国大学太空研究协会联合建立的量子人工智能实验室宣布推出第一台真正利用量子机制运算（退火算法）的专用量子计算机D-Wave2X，运算速度可达1000量子比特，能以比传统过程快1亿倍的速度解决某些特定问题。2015年底，微软发布了专门针对量子计算的软件架构和工具套件，包含编程语言、优化和调度算法，以及量子模拟器。2015年9月，英特尔公司宣布投资5000万美元组建量子计算机研究机构“QuTech”，开展通用量子计算机研究。
（二）发展趋势
量子计算是下一代计算机的重要发展方向，是未来信息技术的战略制高点，是未来信息安全对抗的核心技术。目前对量子计算机的研究可以分为两个方向：专用量子计算机（量子模拟器）和通用量子计算机。
专用量子计算机商业化进程进一步加速。专用量子计算机只是针对特定算法的专用硬件，但由于量子模拟在现有技术条件下较容易实现，其有望成为量子计算机领域首先得到实用化的技术，是实现量子计算机道路上的中间目标。自2007年D-Wave公司首次推出16 Qubit专用量子处理器以来，专用量子计算机呈现出加速发展态势。2008年实现48 Qubit、2011年实现128 Qubit、2013年实现512 Qubit，2015年底谷歌公司推出1000 Qubit的D-Wave2X专用量子计算机，在解决某些问题时比传统电子计算机快了1亿倍。
通用量子计算机的实用化尚需时日。量子计算技术发展的最终目标是实现大规模通用量子计算机。近几年，随着量子计算硬件技术快速发展，中小规模量子比特集成、高保真高速量子逻辑门、长时间量子存储等核心技术不断突破，大规模通用量子计算已初见曙光，但距离真正实用化还尚需时日。根据美国公布的《量子信息科学技术路线图》2.0版的预测，未来5至10年内，有可能出现超越现有运算能力的量子计算机；未来20年内，有可能出现实用化的大规模通用量子计算机。
（三）重大影响
量子计算可以满足海量信息存储与处理、武器装备研制、战场态势分析与数据传输、信息安全、重大科学问题研究对计算速度不断提高的需求，一旦突破将引发新的科技发展浪潮。
量子计算机的实现将为强关联物理学（凝聚态物理和核物理的研究核心）提供完美的检验场所。可用于准确描述化学合成反应过程、构建复杂分子模型、设计与开发新型药物、深刻认识高温超导机理、发现夸克受限原因、模拟宇宙演化、模拟大脑信息处理过程等科学研究领域，甚至带来全新的科学发现。
量子计算能为军事复杂问题提供高效的解决方案，有效支撑先进武器装备研制和国防安全对高性能计算的需求。量子计算机与量子通信将使未来军队提供精确后勤保障成为可能。量子计算机用于计算机视觉导航的图像处理和模式识别可实现具有高度人工智能的自主系统。此外，量子计算能使下一代原子钟准确度提高10倍，从而大幅提高定位、导航、预警和精确打击能力。
在信息安全领域，量子计算机强大的并行处理能力使现有RSA公开密钥体系无密可保。这对基于经典保密系统领域的信息安全构成了根本性的威胁，另外，基于量子力学的测不准原理，量子计算技术将提供一种理论上绝对安全的量子密钥分配方案。
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