电磁波先进调控技术包括:新频谱资源的开放借助、微波及太赫兹殃及光波中新材料和新结构元件的运用、在固体量子比特上的电磁波调控等技术。
在无线通讯方面,THz非常适宜于宽带联通通讯及空间通讯,是下一代通讯技术关注的重点。国际通信联盟已指定0.12THz和0.22THz的频段分别为下一代地面无线通讯(联通电话)和卫星间通讯之用。另外,在短距离内THz波通讯具有很强的抗干扰能力,可实现在局域战争中2-5km内的高速大容量的保密通讯。2006年台湾早已开发出0.12THz,1.5Km的无线通讯系统量子通讯储存,进一步的发展必将步入0.3THz以上的范围。
在雷达遥感侦测方面,THz波才能实现比微波和毫米波更高的帧率、更精确的定位或成像,在对军事目标进行侦察、识别及精确制导方面的应用有很大潜力。同时由于有机生物大分子在THz频段都有特点吸收谱,所以THz波也是借助雷达进行遥感侦测并预警生化装备恐吓的理想工具。目前日本早已构建了机载0.军用遥感雷达系统,并成功地进行了实验。
在反恐缉私等国土安全方面,THz光谱成像技术有广泛的应用,包括远距离侦测可疑人员是否携带危险物品;从建筑物外部获取墙内信息;快速检查信函和包裹内可能藏匿的可卡因和鼠疫病毒等有害物质。印度橡树岭国家实验室和佛罗里达学院合作,已举办了基于THz技术的“穿墙计划”。
在数学学、化学、生物医学、环境科学、天文学和材料学等学科的基础研究方面,THz波可作为一种特殊而有效的探针,对物质内部进行深入研究,提供关于物质的化学、化学及生物成份、波谱特点、分子、量子互作用过程等重要信息;也是生物分子侦测极为重要的新型研究手段。THz波段占有宇宙空间约一半的光子能量,可以提供星体产生、星系演变、宇宙学等各个层次的丰富的天体信息。在我国未来的太空研究和探月计划中,THz波也可以提供包括星球表面特点和极区幅射特点的众多重要信息。
鉴于THz波技术的重要学术价值和重大应用前景,近二六年来,各国给与了广泛的关注和投入。在日本,如国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA)、国防部(DARPA)、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等部门从上个世纪90年代后期至今,投入较大规模的资金对THz技术进行研究。在法国,组织了跨国家的、多学科出席的小型合作研究项目,以发展大型化元件,成像、遥感、检测器以及THz波与生物系统的互相作用研究等技术。在欧洲,美国、韩国等各研究机构、大学等也在该领域投入了大量的经费。2004年,新西兰MIT将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之五,美国政府2005年1月8日将太赫兹科技列为“国家支柱技术”十大重点战略目标”之首。

在国外,THz科学技术深受高度关注。国家科技部、自然科学基金委,863等都给与了一定的支持。2005年以太赫兹科学技术为主题的第270次香山科学会议的举行,大大促进了我国THz科学技术的研究。我国在太赫兹源、探测、成像以及传输等领域的理论和实验研究上产生了自己的研究特色,并取得了一些重要成果。北京学院已具备了从薄膜和结的制备,到薄膜和结在THz辐照下的数学特点的研究,以及最终产生元件的一整套的技术能力。
人工电磁材料最新进展,发展趋势、应用前景
新型人工电磁材料的研究盛行于1999年对负折射率介质(ε和μ都为负)的研究,负折射率介质被《》杂志评为2003年度全球十大科学进展之一,并被国际数学学会评为2004年度最具影响的研究进展。利用人工电磁材料和结构的奇特性质有效提升电磁元件的性能,甚至有可能设计开具突破性的新型微波、太赫兹、光电子元件,给电子信息、国防技术等领域带来技术突破。
新型人工电磁材料近些年一个极为重要的应用是:它为我们任意控制电磁波的传播形式提供了有效手段。要实现对电磁波传播进行复杂精确的控制,理论上要求所用材料的介电常数、磁导率在空间上依照一定规律变化,并时常取一些独特的值,所以传统材料和传统电磁波导行结构对此无能为力。而新型人工电磁材料的每位组成单元都可以人工控制,因而可以灵活便捷地调整其各部份的电磁响应特点。为此,到目前为止,新型人工电磁材料是实现复杂电磁波传播的惟一可选媒质。
2006年院士依照麦克斯韦等式组关于座标变换的协变性提出了变换光学理论,应用这一理论合理设计人工电磁材料的电磁参数,可使入射电磁波完全在覆盖于目标外的人工电磁材料中传播,进而实现目标的完全隐身。随即D.R.Smith院长等人在实验上验证了电磁波弯曲传播的新概念,实现了微波频段金属目标的隐身。这项研究无疑在电磁信息传播和处理及国防技术的众多方面具有深刻的影响,因而被日本《科学》杂志评为2006年的十大科技突破之一。

新型人工电磁材料的构造也逐渐由低频段发展到高频段,将工作频度推向太赫兹、红外甚至可见光,高频段的巨大应用前景呼唤着研究人员向这个方向努力。在高频段,金属彰显出的等离子体特点和结构单元小规格特点等都为新型人工电磁材料的发展提出新的课题。如,普度学院研究小组提出借助单层金属网格结构实现光频段的磁共振,加洲学院伯克利校区XiangZhang和爱荷华州立学院研究小组分别在太赫兹及100太赫兹波段研发出开口金属环结构以实现磁共振等。
目前人们对新型人工电磁材料的理论、特性和应用前景渐趋清晰。欧日本家的研究机构与政府均已看见了蕴涵其中的巨大技术与产业潜力,高度注重其研究和开发。如欧盟联合协调项目(forradio,wave,and),由24个亚洲学院参与研究新型人工电磁材料,早已进行到第二期。日本各大基金会(如DARPA,NSF,ONR,AFSOR,ARO等)都大力支持新型人工电磁材料的研究。日本美军也非常看好人工电磁材料有可能在微波元件大型化、小型高效天线、太赫兹频谱调控及侦测、新型光电子元件上带来的突破,这对增强信息处理、通信和电子战能力是尤为重要的。美国,英国,美国,加拿大,英国,加拿大等国,在该研究方面都投入了许多研究经费。在国外,国家自然科学基金重大项目、科技部973项目及总武器部核高基计划也对这一新型人工材料的研究给与了重点支助。
超导量子估算最新进展,发展趋势、应用前景
构建在半导体工业基础上的计算机和信息处理技术是人类发展的重要组成部份。但随着位的规格不断缩小,位中的电子的行为不能用精典的电磁学理论来描述,而必须药量子力学来描述的时侯,位就没法存储信息,摩尔定理都会失效,计算机和信息产业的发展都会遭到限制。为此,科学家们就提出一个革命性的建议,直接用量子系统来进行信息储存和处理,这就是量子信息和量子估算。一台量子计算机能在数秒钟之内把一个250位的大数分解为两个素数的乘积,而一台现今的小型计算机须要年!
量子信息和量子估算的基本原理就是用量子系统作为信息处理的基本单元(量子比特),通过人为的调控量子系统的状态。目前,有好多种量子系统都被提出可以拿来实现量子比特,其中比较常见的有核磁共振(核载流子)、离子、光子、量子点和超导量子元件等。而超导量子元件借助半导体集成技术,以其便于集成化的突出优势而渐渐成为研究量子估算的国际前沿热点。从1999年以来,人们在单个超导量子元件中观测到量子相干振荡(Nature398,786(1999);证明了超导量子元件是一个宏观量子系统,具有挺好定义的量子比特。近些年,又报导了两个耦合超导量子比特中量子相干振荡和量子纠缠(313,1423(2006)),说明了超导量子比特可以耦合纠缠上去。近日研究工作重点就集中在优化设计和加工,研究消相干机制,延长消相干时间,实现多量子比特的量子纠缠和条件操纵CNOT。
国外最近在量子估算和量子信息领域有一些优秀的工作。在超导量子估算方面,因为受高温实验条件的限制,主要集中于理论上的研究。并且,在超导电子学和微加工技术这两个超导量子估算的重要环节上,上海学院具有较好的基础,最近早已有重要突破。同时,超导量子估算和量子信息依然是一个较新的领域,假如得到持续有力的支持量子通讯储存,我们有可能赶上国际水平并取得更大成果。
