一、脑科学前沿科技系列颠覆未来运营
大脑是人体最复杂的部分，也是宇宙中已知的最复杂的组织结构。21世纪被称为一个世纪的生命科学和脑科学或者一个世纪的大脑研究。随着脑科学和认知科学的兴起和发展，对以人为中心的认知和智能活动的研究进入了一个新的发展阶段。脑相关技术的发展和应用，可以迅速提高武器装备的智能化程度和操控意识，将对武器装备的研制和使用、国防和军事能力建设产生难以预料的颠覆性影响。
多国启动脑科学重大研究项目
多年来，人类从未停止对大脑奥秘的探索。几十位从事脑科学研究的科学家获得了诺贝尔奖，脑科学已经成为皇冠珍珠发达国家的科学研究。早在20世纪90年代，美国就率先提出了大脑十年计划，欧盟建立了欧洲大脑十年委员会，国际脑科学组织也采取各种措施推动脑科学研究的发展。
奥巴马宣布启动美国大脑计划
2013年4月，美国宣布启动大脑计划2014年6月，美国国立卫生研究院发布了大脑计划，详细介绍了脑科学计划的研究目标、重点领域、实施方案、具体成果、时间和经费估算，并提出重点资助9个脑研究领域：脑细胞类型计数、建立脑结构图谱、开发大规模神经网络记录技术、开发操作神经回路的工具、理解神经细胞与个体行为的关系。整合神经科学实验和理论、模型、统计等。描述人脑成像技术的机理，建立用于科学研究的人体数据收集、知识传播和培训的机制。2014年8月，美国国家科学基金会宣布资助36个脑科学相关项目，涉及实时全脑成像、新型神经网络理论和下一代光遗传学技术。国防高级研究计划局(DARPA)近年来启动了数十个项目，旨在提高对大脑动力学和机制的理解，促进相关技术的应用，包括可靠的神经接口技术项目、革命性的假肢、恢复编码记忆集成神经设备、重组和加速损伤恢复项目，以及在复杂信号处理和数据分析项目中使用模拟大脑。
2013年，欧盟委员会宣布将人脑计划在未来新兴技术旗舰计划，力图汇聚各种力量，为基于信息通信技术的新型脑研究模式奠定基础，加速脑科学研究成果转化。该计划被认为是目前世界上最先进的脑科学大型研究计划。它由瑞士洛桑理工学院协调，由欧盟130个相关科研机构组成。预算12亿欧元，预计研究周期10年。旨在深入研究和理解人脑的运行机制，在大量科研数据和知识积累的基础上，开发新的前沿医学和信息技术。该计划首先用30个月时间建设6个大型实验和科研基础设施，包括神经信息学、大脑模拟、高性能计算、医学信息学、神经形态计算和神经机器人。这些设施将向全世界的科学家和技术人员开放，邀请世界美国顶尖科学家参与研究。
此外，日本、德国、英国、瑞士等国家也相继启动了自己的脑科学研究计划。
脑科学研究在世界范围内掀起了新的热潮。
21世纪以来，随着相关理论的完善和新实验工具的出现，一些t
在大脑结构的研究和探索方面，2012年，哈佛大学的科学家开发了一种新的核磁共振扫描技术，探索人类大脑的内部结构；DARPA与威斯康星大学麦迪逊分校合作开发了一项大脑研究技术，探索人类脑神经的结构和功能之间的关系；2014年，在DARPA 的可靠神经接口技术项目，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发了一种新的大脑结构研究技术，为大脑中神经网络活动的可视化和量化做出了重大贡献。
在脑信息获取技术方面，脑电信号解码、利用神经活动信息恢复视觉图像、支持行为的神经活动信息与神经元的关系、利用神经活动信息重建人类梦境等研究取得新进展。例如，澳大利亚的Emotiv公司开发了一种脑电图装置，可以翻译人类的8种生理表情和7种表情；美国、德国和英国的研究人员实现了利用磁共振成像技术将大脑活动信息转化为想象中的物体图形；DARPA目前正在研发一种新型的大脑植入物，实现对大脑信号的实时跟踪和响应；2014年，DARPA启动了神经功能、活动、结构和技术项目旨在加快和简化大脑的3D分析，使全脑成像只需220天。
在脑机接口技术方面，许多国家进行了一系列技术验证并取得突破，实现了大脑控制外部设备，大脑控制另一个生命体的异体控制。2008年，美国北卡罗来纳州的科学家从植入猕猴大脑的电极中获得了神经信号，并通过互联网将这些信号与文章一起发送到日本实验室。最后，美国猕猴成功受控日本实验室里的机器人用它们的思维，做出了同样的动作；2013年，布朗大学研发出首个火柴盒大小的脑机接口无线连接设备，可以将大脑数据传输到1米内的其他设备；2013年3月，英国研究人员开发了第一个用于控制航天器模拟器的脑机接口设备，美国研究人员也创建了一个计算机模拟程序。头上戴上脑机接口装置后，可以通过人脑的思维控制飞船模拟飞行；2015年6月，俄罗斯首脑俄罗斯未来研究基金会表示，带有大脑控制机械的脑机接口(BCI)在俄罗斯研制成功。这种BCI使用在医学上广泛使用的脑电图来捕捉脑电活动。
就脑对脑控制，2013年2月，美国杜克大学的研究人员通过植入大脑的芯片和计算机，在美国和巴西的两只大鼠大脑之间建立了脑电波传输回路，实现了脑对脑同种异体控制实验，成功率达65%；2013年8月，华盛顿大学宣布了人类首个非侵入性脑-脑接口实验。在没有将电极插入大脑的情况下，一个人成功地远程控制了另一个人的手部运动；2014年2月，美国哈佛医学院等机构用一个主题猴子作为指令，猴子作为指令接受者实现异体操纵，任务完成率98%。
模拟实验装置大脑控制的宇宙飞船
此外，最近在大脑研究和应用方面取得了许多重要进展。例如，美国塔夫茨大学成功创建了三维脑组织模型，具有与大鼠脑组织相似的功能和结构特征，可用于研究脑功能和开发脑功能障碍的新疗法；2013年，德国比勒费尔德大学物理系的研究人员制造了具有学习能力的纳米忆阻器元件，每个元件的直径只有人类头发直径的1/600。这种忆阻器将被用作人工大脑设计中的关键部件；2014年9月，西班牙、法国和美国的科学家联合进行了一项实验，以实现人际交往通过使用脑电波和仪器设备，成功地将两个词从一名印度志愿者的大脑传输到8000公里外的一名法国实验者的大脑。这是人类第一次几乎直接通过他们的大脑发送和接收信息；2015年7月，澳大利亚皇家墨尔本理工大学和美国加州大学的研究人员创造了世界的第一个可以通过使用纳米级忆阻器矩阵来模仿人脑的电子存储单元；目前，DARPA已经启动了一个新项目，旨在研究神经回放在形成记忆和回忆的过程中，从而帮助人脑更好地记住具体事件，更快地学习技能。
脑科学有巨大的军事应用潜力。
脑科学研究具有巨大的潜在军事价值，可以直接应用于现代战场的诸多领域，包括催生新型脑控武器和智能装备，提高战斗人员的知识和作战能力，优化军事训练和决策，改善军事神经和精神损伤的治疗，促进心理战的升级。脑科学的军事应用主要体现在三个方面：大脑模仿、大脑控制和大脑控制。
"模仿大脑，即借鉴人脑的结构和运行机制，开发出全新的信息处理系统，更加复杂智能的武器装备，甚至开发出非常接近人类的智能机器人。最近，热门领域仿脑主要包括模仿人脑的神经形态芯片的开发，具有人脑处理功能的仿脑处理器，认知计算技术的开发。这些类脑技术将大大提高无人系统的智能水平，也可能给包括云服务、机器人和超级计算机在内的许多领域带来重大变化。
神经形态学芯片最近成为仿脑技术。著名杂志《科学》和麻省理工学院杂志《技术评论》都将神经形态学芯片评为2014年十大技术突破之一。2013年，瑞士和美国科学家共同开发了脑神经形态学芯片，可以实时模拟大脑处理信息的过程；美国陆军实验室通过模拟人脑的思维过程，研制出量子神经元计算机芯片；高通最近通过模拟神经结构和大脑处理信息开发了一种大脑芯片。2014年8月，在美国DARPA计划的支持下，IBM宣布成功研发第二代类脑计算芯片正北。芯片架构类似于人脑，集计算、通信、存储等功能于一体。与第一代芯片相比，真北的神经元数量从256个增加到100万个，突触数量从26.2万个增加到2.56亿个，包括54亿个晶体管，每秒钟可以使用。2015年，加州大学和纽约州立大学石溪分校的一个联合研究团队首次创建了带有忆阻器的神经网络芯片，从而向创建更大的神经网络和人工大脑迈出了重要一步；英国嵌入式处理器制造商ARM与曼彻斯特大学和海德堡大学合作开发的神经形态芯片，已被列入欧洲人脑计划并获得支持。与美国方案相比，欧洲方案的单位面积功耗更高，但神经元模拟更接近生物神经元，因此也有wit报道
就类脑处理器，美国DARPA一直致力于研发能够模拟人脑的类脑处理器的认知和推理能力，并开展了许多项目，如用于传感和分析的自适应局部学习2012年，谷歌实验室的研究团队组建了一个谷歌虚拟大脑通过模拟神经元由1000台计算机、16000个处理器和10亿个内部节点连接而成的相互连接、相互交流、相互影响的人脑中；2015年，IBM建立了一个电子大脑通过使用48 正北测试芯片，每个芯片都可以模拟大脑的一个基本组成部分。该测试系统可以模拟4800万个神经细胞，基本可以与小型啮齿类动物大脑中的神经细胞数量齐平。
IBM开发的神经元计算机原型配备了16 正北薯片。
认知计算是一种模拟人的计算技术认知、智力和解决问题的能力。国外主要军事强国以未来军事应用为牵引，积极推动认知技术的发展。例如，美国通过实施自学习电子攻击技术、认知无线电技术、基于认知的协同决策认知模型、基于脑电波识别和认知算法的战场威胁检测技术等项目，大力推动认知计算技术在武器装备领域的应用。2014年，美国空军研究实验室授予通用电气公司一份高性能嵌入式计算系统的合同，以模拟人类中枢神经系统的信息路径，该系统可以促进高级神经形态学架构和算法的开发和部署，用于自适应学习、大规模动态数据分析和推理。
"大脑控制，即通过大脑直接控制外部物体或设备，减少或替代人的肢体操作，从而提高作战人员操纵武器装备的灵活性和敏捷性。近年来，应用大脑控制得到了进一步的发展：日本和德国发展了大脑控制车辆；慕尼黑工业大学的德国飞行系统动力学研究所成功地演示了大脑控制的第一次飞行；明尼苏达大学成功研发出一种可以用意念控制的四轴飞行器，其避障成功率高达90%。英国科学家开发了特殊的脑机接口设备来控制飞机和航天器模拟器；美国DARPA开展了一项名为Avatar的尖端军事科研项目，旨在探索人体功能的扩展，获取用于整合的神经代码，控制进攻性武器和系统。DARPA还在2013财年投资700万美元开发了一种自主双足机器人，它可以使士兵在战场上遥控代替士兵执行一些作战任务，如放置监视设备、搜索和攻击建筑物内的威胁目标、抢救伤员、设置障碍等。
明尼苏达大学脑机接口设备控制飞机的实验场景
"大脑控制，即利用外部干预技术来干扰甚至控制人的神经活动和思维能力，导致幻觉，精神混乱，甚至采取行动反对一的自身利益。关键是要开发一个信息系统，能够监控和干预大脑思维活动。目前，应用大脑控制产品很少，美国DARPA联合商业机构已经开展了相关的概念研究，主要包括：通过计算机模拟脑电波来控制人体的心理反应和思维，通过特定频率的无线电波与人的脑电波相互作用产生催眠效果，操纵神经系统的脑电波。
洁玉
脑科学的发展对于人类认识自身的神经精神领域具有重要的价值和意义，同时也具有很强的军事应用前景，将推动军事领域的巨大变革。目前脑科学的研发已经成为不可阻挡的时代潮流，它的大规模进步必将带来一个日新月异的新世界。我们应该及时预防，趋利避害
人体增强是综合利用生物、信息、机械等领域的技术作用于人体，从而改善和增强人的体力和脑力的一项前沿技术。如果把大自然赋予的人体功能看作是最基础的1.0系统，那么通过人体增强技术，人体的综合功能将得到极大的提升，进入人体系统2.0时代。人体增强技术可以让普通人和士兵获得超越身体极限的神奇能力，在诸多领域的应用前景和颠覆性影响令人瞩目。
很多机构都期待人体增强技术的巨大潜力。几个世纪以来，人类一直梦想成为一个完美的超人超越人类所有的约束和限制，一直在探索能让人类尽可能强大的方法和技术。随着科学技术的发展和应用，人们不再局限于使用一些自然的方法来一步步提高自己的基本能力，而是通过更直接、更快速的方法来提高和完善人类的技能和能力。例如，药物或芯片可以改善人大脑的情感、认知和记忆，脑机接口可以控制或放大人的思想，外骨骼可以改善人的身体素质，人工耳蜗，芯片植入和智能眼镜可以提高人们视听感官能力。美国国家科学基金会解释了这个术语增强人体机能任何暂时或永久突破人体极限的尝试都可以通过自然或人工手段来实现。美国科学院、皇家学会等重要的科学机构和情报机构相继发表了一系列报告，对人体效率的提高，尤其是人体的增强给予了极大的关注，并预言人类即将迎来一个新的人体增强时代。美国国防高级研究计划局(DARPA)于2014年4月成立了一个新的生物技术办公室，旨在研究新技术，使士兵保持最佳战斗力，快速全面地恢复战斗力。近期各方重点关注的人体增强技术包括：视网膜植入、人工耳蜗植入等视听增强技术；药物、脑植入、脑机接口等脑增强技术；外骨骼等体力增强技术。
美国国家科学院发表的《人体效能改造：国际研究现状及未来展望》号报告指出，医学、生物学、电子学和计算技术的发展使得改造人体的能力日益成熟，这样的创新将被各国军队采用。2012年11月，英国皇家学会、英国科学院等四家机构联合发布了一份名为《人体增强与未来工作》的报告，指出人体增强技术将彻底改变未来人们的生活和工作方式。报告重点关注的人体增强领域主要是认知增强和生理增强，包括改善记忆和注意力的认知增强药物、改善感知的助听器和视网膜植入物、恢复运动能力的仿生肢体、认知训练、大脑刺激等技术。2012年12月，美国国家情报委员会发布报告《2030全球趋势：多元化世界》，预测到2030年，人类有可能通过选择一些科学手段变得更聪明、更健康、更强壮。报告把这些可以增强人体机能的科学手段统称为人体机能增强装置。全球技术研究和咨询公司Gartner在其2013年发布的报告《20122013年技术曲线成熟度》中也预测，除了许多信息技术前沿技术的快速发展之外，另一项将在市场上形成的技术是人体功能增强设备，它将提高人类的感知能力和身体素质。其中包括机械外骨骼、脑机接口、视网膜植入、听力增强设备，甚至是提高智力的神经药物。
视听增强3354更有效的感知《2030年全球趋势：多元化世界》和《20122013年技术曲线成熟度》报道都非常关注视觉增强技术。视觉增强技术包括两种：一种是可以修复视力的眼内植入物，可以接收视觉图像并转换成电信号刺激神经，将信息传递给大脑；二是指使用可伸缩隐形眼镜、夜视隐形眼镜、智能眼镜等新型可穿戴设备，实现对环境更好的感知。通过眼内植入技术，人类可以恢复和改善原有视力。2013年，德国图宾根大学的科学家开发了一种微芯片，大小约为3毫米，由1500个像素组成，每个像素都有自己的放大器和电极。这种外部供电的光敏微芯片将通过外科手术植入病人的皮下。这将使患有视网膜病的盲人重见光明。2013年7月，英国利用胚胎干细胞培养视网膜感光细胞，并将这些细胞植入失明小鼠眼睛的视网膜，成功形成了眼睛和大脑之间的神经连接。2015年，加拿大研发出一种新型仿生镜片。这种晶状体植入眼睛后，视力有问题的人可以将视力恢复到最佳水平。
利用先进的视觉增强可穿戴技术，可以及时感知和了解原本无法直接观察到的战场环境，让人变得千里眼。士兵将告别对复杂笨重的侦察和通信设备的依赖，实时接收数百公里外总部传来的指令、地图等信息，查询、获取、感知其他侦察系统的动态信息。DARPA开始在士兵视觉增强系统。这种隐形眼镜可以增强作战人员的正常视力，佩戴这种隐形眼镜的作战人员可以看到虚拟和增强现实图像。整个过程不需要笨重庞大的仪器帮助。2014年，美国密歇根大学的科学家将能够诱导光子的石墨烯薄层嵌入到镜片中，发明了比指甲还小的夜视隐形眼镜原型，使暗淡的图像看起来更明亮。这项技术的应用将使未来的士兵能够从头盔上取下笨重的夜视镜，代之以轻便的夜视隐形眼镜。此外，DARPA目前正在资助一个新的隐形眼镜项目，该项目可以使人们的眼睛有2.8倍的光学变焦能力。除了视觉能力的增强，听觉也是人体增强的重要内容之一。人工耳蜗是一种电子设备。外部的语音处理器将声音转换成一定编码形式的电信号，植入的电极系统直接刺激听觉神经来恢复或重建聋人的听觉功能。目前，全球已有超过30万人使用人工耳蜗替换听力有问题的耳朵，以恢复听力。2013年5月，普林斯顿大学的工程师利用3D打印技术制造出世界的第一只仿生耳朵，可以接收声波和超声波信号。
增强脑力3354通过增强人的能力做出更明智的决策的脑力，它可以提高士兵学习效率和记忆力，减少疲劳和提高警觉性，甚至实现大脑对外部机器的精神控制，最终使人拥有更好的认知和决策能力。使用电磁刺激、大脑植入和神经药物可以提高士兵学习效率，使人更长时间集中注意力，减少疲劳，提高警觉性。利用脑机接口技术，大脑可以直接控制机器，也称为精神控制，涵盖面很广，包括智能假肢、机器人甚至车辆和武器。在增强记忆力方面，使用神经药物可以提高人的记忆力和思维速度。这些药物可以使人更长时间集中注意力，提高学习能力。但神经类药物也有巨大的副作用，如头晕、呕吐、视力下降、意识不清等。2012年，德国科学家发现大脑中的神经递质多巴胺具有改善记忆的能力，这有助于开发改善记忆的药物。
在用电磁信号刺激大脑方面，目前的研究集中在刺激人增强人的神经系统通过电子的、化学的或生物的方法来控制人的精神和情感能力。神经刺激方法可能包括经颅直流电刺激、经颅磁刺激和脑深部电刺激，用电子装置直接刺激神经组织。研究表明，经颅电磁刺激可以改善士兵学习效率，减少疲劳，提高警觉性。通过大脑刺激学习更多知识的受试者的记忆可以延长几个月。最近，美国陆军研究实验正在研究使用最新的神经刺激技术来检测大脑状态，以及提高理解力、目标感知和决策能力。利用大脑植入物来提高人脑的记忆能力，恢复因受伤而引起的健忘症，已成为近年来智力增强的热点。DARPA在这个领域安排了几个项目。2013年，DARPA启动了两个项目：恢复活动内存和基于神经技术的新兴治疗系统。前者旨在开发一种分析和解码神经信号的新方法，应用神经刺激促进脑损伤后记忆代码的恢复，开发植入式神经设备帮助患者恢复记忆，并知道如何刺激和锻炼人类大脑的右半部分，以提高士兵反应速度和瞬时记忆能力；后者旨在开发大脑植入物，可以帮助患有创伤后应激障碍和其他神经疾病的患者。DARPA启动了一个名为恢复活动内存并播放2015年，该项目旨在研究和确定大脑的哪些部分决定记忆和回忆的形成，从而帮助人类大脑更好地记住具体事件，更快地学习技能。
目前，精神控制技术致力于协助残疾士兵恢复行动能力，未来有可能实现对武器装备的意识控制。在意念控制假体方面，美国匹兹堡大学的研究项目在一名颈部以下瘫痪的女性患者的运动皮层植入了一个传感器，让她可以仅凭意念操作机械臂将一块巧克力送进嘴里，更接近正常人比以前的研究更长。2014年，DARPA成功研发了一种仿生机械臂，命名为DEKA 在革命性的假肢项目，具有近乎真实的控制能力，可用于帮助失去双臂的人恢复生活能力；2015年，美国约翰霍普金斯大学的研究团队开发出新一代智能假肢，拥有26个关节，可以像正常手臂一样由人脑控制，可以抓取20公斤的重量。在精神控制机器方面，DARPA推出了阿凡达2012年的项目，目标是开发可以用意念控制的机器人，有望在未来取代士兵上战场。美国陆军研究实验室正在研究一种技术，使士兵能够仅通过意识直接控制军事系统。在这个研究方向下，陆军实验室正在资助两个研究项目：一个是开发一个原型系统，可以检测潜在的表情并监控用户关注点和意图，通过实时记录大脑活动；二是寻求生理生物标记来理解大脑信号，用于检测潜在的表达和特征状态。2014年，慕尼黑工业大学的研究人员首次成功演示了脑控飞行；2015年6月，俄罗斯 未来研究基金会说是脑控机械的脑机接口研制成功。
强化体力3354更强大的移动外骨骼是一种机电一体化设备，可以由人穿戴。它主要用于增强力量、速度、耐力等。穿着者的。一般由感知系统、控制系统、动力系统、仿生机械系统和能源系统组成。未来，随着技术的发展，外骨骼植入技术将可以将外骨骼植入体内，成为替代骨骼，这将大大增强人类的先天能力，修复失去的身体功能。近年来，美国、俄罗斯等国的军队相继推出了多项军用外骨骼项目，以增强士兵的作战能力，保障他们的健康。DARPA s 增强人体功能外骨骼该项目旨在开发一种外骨骼系统，可以帮助地面士兵携带更多武器，更好的盔甲和更多物资。在这个项目的支持下，加州大学伯克利分校开发了BLEEX下肢外骨骼系统，雷神公司开发了XOS全身外骨骼系统。BLEEX整体由背包式外框架、两条机械腿和相关液压驱动装置组成，自重45 kg，载重35 kg。用户感觉只有2 kg。洛克希德马丁公司和加州大学伯克利分校在BLEEX的基础上联合推出了外穿式机械骨骼，名为人体负重外骨骼。该系统由钛合金制成的机械腿、驱动装置和控制计算机，以及背部的承重部分、散热单元等组成。它不仅能使士兵完成爬行、下蹲、提重物等一系列动作，还能减少因提重物而造成的肌肉骨骼损伤。人体负重外骨骼是32kg左右，最大重量超过100kg，可以保证佩戴者以4.8km/h的速度负重90kg，连续行走1小时。2010年初，雷神公司推出了改进的XOS 2外骨骼系统，《时代》杂志将该设备命名为最令人震惊的2010年发明。XOS 2号由一系列结构、传感器、执行器和控制器组成，主要由高压液压驱动，堪称现实版钢铁侠盔甲。外骨骼能使穿戴者反复举起约90公斤的重物数百次，而不感到疲劳，同时还能反复击穿3英寸厚的木板。法国 大力士可穿戴外骨骼可以辅助士兵，增强他们在战场上的负重能力和持久作战能力。大力神外骨骼主要由机械腿(结合了机械装置、计算机和电子设备)和背部支撑架组成，使穿戴者能够轻松负重。大力神可以负重100公斤，使佩戴者以每小时4公里的速度行进约20公里。2015年，德国斯图加特的一家工程研究所开发了一种名为Robo-Mate的可穿戴外骨骼系统，可以为体力劳动者的手臂、腿和背部提供金属机械支撑，并将他们的提升和负重能力提高到10倍。轻便灵活的外骨骼，可以穿在士兵身上作训服，已经成为军用外骨骼新的发展方向。"战士织衣服是由DARPA开发的一种轻便灵活的内穿式作训服。这更像是归纳增强剂肌肉和关节。它不仅具有传统的防弹功能，还能增强人体机能，使士兵能负重长时间行军。美国陆军的作战指标要求 战士织衣服分别是：功率小于100瓦，重量不到9公斤，电池重约4.5公斤，不充电可连续工作24小时。当士兵负重45公斤，以1.25米/秒的速度在平地上行走时，可以减少25%的代谢消耗。织衣服的战士主要有四个方面：第一，将负重智能分布在士兵各处，以减少力量；第二，它可以减少和防止士兵受伤，增强他们的体质；第三，能源可以重复利用，降低能耗；第四，柔韧性好，轻便，舒适，耐用。2013年5月，美国特种作战司令部提议
三、前沿科技系列石墨烯颠覆未来运营
石墨烯是一种平面薄膜，具有由碳原子组成的六边形蜂窝状晶格。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家成功地从石墨中剥离出石墨烯，证明了石墨烯可以单独存在。因此，他们获得了2010年诺贝尔物理学奖，掀起了全球石墨烯制备、改性和应用的热潮。石墨烯因其优异的性能，在很多领域都有变革的潜力。已经取得成果的领域包括散热材料、柔性触摸板、微传感器、电容器、芯片材料等。它在信息技术、航空航天、生物环保等领域显示出巨大的应用前景。并将对人类社会产生广泛的影响。它叫做改变未来世界的革命性材料。如果说20世纪是硅的世纪，那么神奇的石墨烯就是21世纪新材料的宠儿。
"材料之王性能卓越。
石墨烯被赋予了神奇的材料和材料之王自从它被首次发现以来。单原子纳米结构赋予了它许多无与伦比的独特性能。它是迄今为止发现的最薄、强度最高、密度最大的结构材料，具有独特的电学、热学、光学和磁学性能。
石墨烯是已知最薄最轻的材料之一。它是单个碳原子层，厚度只有0.34纳米，相当于一根头发的1/20万。石墨烯是已知强度最高的材料，比最好的钢高100倍；石墨烯是已知最硬的纳米材料，比钻石还硬；石墨烯是已知最好的导电材料，其电子运动速度高达光速的1/300，远超一般导体中电子的运动速度。在室温下，它的电子迁移率是硅的100倍，可耐受的电流密度是铜的100倍左右。石墨烯是目前已知的导热性最好的材料，导热系数高达5300 W/m度，高于碳纳米管和金刚石，也远高于常用的散热材料铜和导热性最好的金属银(420 W/m度)。有望成为划时代的散热材料。石墨烯还具有高透光率、高传感性能、高吸附性和强过滤性、室温下非散射透射等优异而独特的性能。
石墨烯的单层结构
最近，美国和日本在制备石墨烯方面取得了重要进展。2013年，英国牛津大学团队通过适当的压力控制铜箔上碳原子的排列，从而控制石墨烯的厚度、边缘形状和晶界，向大规模制备石墨烯迈出了一步。2014年，韩国三星公司与成均馆大学联合成功开发了在硅片上合成单晶单层石墨烯的工艺，实现了在硅片上氢封端锗缓冲层上无褶皱单晶单层石墨烯的生长，有望解决石墨烯的大规模生产问题。2015年，美国能源部橡树岭国家实验室表示，其研究团队通过化学气相沉积制备了一种厚度为2英寸见方、单原子的碳复合材料，可以消除石墨烯片团聚的问题，这意味着可以在聚合物中使用更少的石墨烯材料，以获得更好的导电性。
全球掀起石墨烯研发热潮
由于石墨烯在能源、材料等多个领域具有巨大的应用潜力，许多国家都将石墨烯及其应用技术的研发作为长期战略。在各方的关注下，石墨烯的研究持续升温，新的发现不断涌现，大大加快了其产业化进程。
多国政府积极布局
美国石墨烯技术全面布局。美国侧重于石墨烯代替硅材料技术、电子元件、储能电池等应用，主要由美国国家自然科学基金会、美国国防部及其下属政府和以国防高级研究计划局为首的军方支持。从2006年到2011年，美国国家自然科学基金会支持了200个关于石墨烯的项目，包括石墨烯超级电容器应用、石墨烯连续和
将欧盟石墨烯研究提升到战略高度。它是欧洲石墨烯的发源地，长期以来一直通过框架计划支持石墨烯研究。2013年，欧盟委员会选择石墨烯项目作为首个未来和新兴技术的旗舰项目在欧盟10年投资10亿欧元。这个项目的使命是帮助石墨烯从实验室走向社会。该项目由瑞典查尔姆斯理工大学领导，由100多个研发机构组成。d来自15个欧盟成员国的团队，包括4名诺贝尔奖获得者。2011年，英国政府将石墨烯作为国家未来四大重点发展方向，并宣布将投资7150万英镑支持石墨烯研究，包括成立国家石墨烯研究院。2014年，英国政府联合马斯达尔公司宣布继续投资6000万英镑在曼彻斯特大学设立石墨烯工程创新中心，作为国家石墨烯研究所的补充。
日本和韩国等国家增加了投资。自2007年以来，日本美国学术振兴机构资助了石墨烯材料和器件技术，支持以实现绿色低碳为目标的碳纳米管和石墨烯批量合成技术的研发。预计韩国将在2012年至2018年期间为石墨烯提供总计2.5亿美元的资金。
研究和应用取得重大进展。
虽然石墨烯的发现只有10年左右，但却引发了席卷全球的研发浪潮。特别是近两年来，对石墨烯的研究持续升温，新的发现不断涌现，大大加快了其实际应用的进程，引起了人们的关注it’非常令人担忧。
在石墨烯材料的研发方面，2013年，美国麻省理工学院发现，具有高电子迁移率的石墨烯薄膜材料置于两种铁电材料之间，可以产生太赫兹信号。利用这种机制，有望为光电信号交换提供一种新的途径。2014年，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员与莱斯大学合作，展示了一种可以实现大面积伯纳尔型(或AB型)堆叠双层石墨烯薄膜的新技术。
在能源方面，石墨烯的应用主要集中在储氢、超级电容器制造、锂离子电池和锂空气电池制造等方面。2013年，美国莱斯大学制造出高比容量微型石墨烯锂电池，比容量204 mAh/g，厚度仅10纳米，充放电时间20秒。测试表明，经过1000次充放电后，电容仅损失10%。2014年，麻省理工学院用两张折叠的石墨烯纸制作了一个简单的超级电容器。研究人员证实，这种石墨烯纸可以平滑1000次，制造的超级电容器性能不会明显下降。这种褶皱石墨烯的技术不仅可以用来制作超级电容器，还可以用来制作柔性电池的电极，或者制作针对特定化学或生物分子的可伸缩传感器。
在探测和传感器方面，2012年，慕尼黑工业大学的科学家成功制作了石墨烯光电探测器，可以非常快速地处理和引导光电信号。2014年，美国密歇根大学的科学家在隐形眼镜中嵌入了能够诱导光子进入隐形眼镜的石墨烯薄层，从而使暗淡的图像看起来更明亮。
在显示屏上，2014年，英国剑桥大学的研究人员展示了第一个柔性石墨烯屏幕，用软塑料和石墨烯背板取代了传统的金属电极。2014年，韩国三星先进技术研究所和成均馆大学联合宣布，他们合成了一种可以在更大范围内保持导电性的石墨烯晶体，这是一种可用于柔性显示器和可穿戴设备的屏幕显示技术。
各国近期重大石墨烯发展计划和项目
在芯片材料方面，石墨烯被称为21世纪取代硅的材料有望成为新一代的电子元件或晶体管材料。2012年，韩国美国三星公司利用石墨烯开发了一种新的晶体管结构，形成了一种称为肖特基势垒的能量屏障。通过调节障碍物的高度，电流
在环保和生物方面，最近的进展主要集中在污染物的吸附和海水淡化。美国莱斯大学和俄罗斯罗蒙诺索夫大学的研究人员发现，原子厚度的氧化石墨烯片可以快速吸附天然和人工放射性核素，并凝结成固体，既可以在陆地上使用，也可以在水下使用。2012年，麻省理工学院的研究人员在石墨烯的帮助下开发了一种海水淡化的新方法。通过精确控制多孔石墨烯的孔径大小，并向其添加其他材料，可以改变石墨烯孔边缘的性质，使其能够排斥或吸引水分子。这种特殊的石墨烯就像一个筛子，可以快速过滤掉海水中的盐分。2013年，美国洛克希德马丁公司也开发了一种新的石墨烯海水净化系统。它的膜厚度是目前市面上最好的膜的1/500，但强度是它的1000倍。过滤等量盐所需的能量和压力也是其1%。
巨大的应用前景改变未来战场
石墨烯具有优异而独特的电学、光学、力学和化学性能。这些优越的性质和特殊的二维结构，使其在国防和军事上具有不可估量的应用前景，将对未来作战产生颠覆性的重大影响。
基于石墨烯的超薄超轻特性及其强大的抗压强度，通过与其他材料复合，开发出一种具有超薄、超软、超轻特性的新型超强材料，可用于机翼、机翼等。利用石墨烯的导电性和导热性，可以替代硅、锗等材料制作电容器、晶体管和集成电路，成为新一代电子元器件，可用于超级计算机、雷达、通信设备等未来新型军事电子设备。石墨烯有望孕育出新的宽带激光器，取代半导体可饱和吸收镜成为飞秒光纤激光器的核心材料。
石墨烯可作为防弹衣和装甲车的新材料，替代凯夫拉、芳纶等高性能材料，减轻重量，提高防护能力。最近的实验数据表明，石墨烯可以快速分散冲击力，打断向外穿过材料的波，其抗冲击性能远远优于钢铁和凯夫拉尔等材料。石墨烯制成的防弹衣，防护能力是现有防弹衣技术(凯夫拉纤维)的两倍。美国莱斯大学的研究人员进行了一项微弹道测试，以3000m/s的速度将一个微小的硅粒子射向单层石墨烯，发现这种蜂窝状材料可以有效分散动能，其能力是凯夫拉尔的两倍，比钢强10倍南
石墨烯制成的高效光学传感器透光率好，对环境灵敏度高，可用于红外夜视仪、红外热像仪等光电探测设备，也可用于制作导弹用非制冷红外导引头，提高导弹的精度和毁伤能力。IBM开发了石墨烯/绝缘体超晶格，使石墨烯具有光子特性，并制成可实现太赫兹频率的滤光片、线偏振器等光学元件，有助于未来拓展到中红外和远红外波段的光电器件应用。2014年3月，美国密歇根大学的研究人员利用石墨烯研制出了指甲盖大小的红外图像传感器。它是通过在两层石墨烯之间放置绝缘层，然后施加电流来实现的。当暴露在红外光下时，可以产生足够的电流来产生红外图像。新技术可以在没有庞大冷却装置的情况下运行，并且首次在室温下观察到完整的红外光谱。
石墨烯透明度高、韧性强、导电性能优异，可用于制作各种武器装备上的仪表盘和屏幕面板。尤其是石墨烯制成的柔性屏幕，不仅清晰度高、安全性好，而且重量轻、易于折叠和携带，在单兵作战系统、增强现实设备和军用可穿戴设备中优势明显。
国防高级研究计划局开发的生物组织传感器
在能量方面，石墨烯作为负极材料，可以大大提高锂电池的性能，改善电池的弯曲、拉伸等力学性能。同时，石墨烯兼具高磁导率和高电导率，使其成为太阳能电池的透明电极。利用类石墨烯膜材料的特性，有望解决燃料电池核心部件质子传导膜的燃料渗透问题。石墨烯满足了超级电容器高能量密度和高功率密度对电极材料的要求，一般认为它将是一种理想的超级电容器极板材料。2012年，美国陆军研究实验室首次证明，可以通过喷墨打印技术在柔性基底上制备石墨烯超级电容器电极，并可以进一步制造柔性超级电容器的原型。石墨烯开发的柔性超级电容器可以提高超级电容器的性能，减小其尺寸。与电池相比，它具有更高的功率密度和更长的使用寿命，可以增加武器和无人系统的功率，减轻重量。
此外，石墨烯还可以制成特种涂料，用于军舰的舰体防护，抵御海浪的冲击和水蒸气、盐雾的侵蚀，大大提高武器装备的耐腐蚀性；石墨烯不透气，不透空气和水，还能抑制细菌的生长。可用于制作战地医疗用品、军用食品包装袋等。石墨烯的薄层结构对固体、气体和离子具有很高的吸附能力，可用于清理战场上的污染物，从而减少对生态环境的破坏。
洁玉
石墨烯问世只有短短的十几年，但其独特的二维晶体结构和优异的物理化学特性使其成为许多领域的研究热点，在国防和军事领域发挥着重要作用。然而，石墨烯的更广泛利用仍有许多问题需要解决。我们必须统筹规划，精心布局，紧紧抓住科技进步带来的重大发展机遇。石墨烯的d和产业化，力争掌握未来科技竞争的制高点。
四、颠覆未来运营的前沿科技系列超材料
超材料(Supermaterial)是通过有序设计材料关键物理维度的结构，突破一些表观自然规律的限制，获得超越自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广阔应用前景的前沿技术领域，将对未来武器装备的发展和使用产生革命性的影响。
新材料颠覆传统理论。
虽然超材料的概念出现在2000年左右，但它的起源可以追溯到更早的时代。1967年，苏联科学家Victor Veselago提出，如果一种材料同时具有负介电常数和负磁导率，那么电场矢量、磁场矢量和波矢量之间的关系将不再遵循右手法则这是经典电磁学的基础，但表现出相反的负折射率关系。这种材料会颠覆光学世界，使光波看起来像是逆向流动，在很多方面会有违背常识的行为，比如光的负折射，逆行光波、异常多普勒效应等。这个想法在当时一经提出，就被认为是一千零一夜科学界的研究。
随着传统材料设计思路的局限性日益暴露，显著提高材料的综合性能越来越困难，材料的高性能越来越依赖于稀缺资源。发展超越传统材料性能极限的新材料设计思想已成为新材料研发的重要任务。2000年，发表了第一篇负折射率材料的报告；2001年，美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员首次制备了在微波波段具有负介电常数和负磁导率的超材料。2002年，美国麻省理工学院的研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性。2003年，超材料的研究取得了许多成果
第一，它具有新颖的人工结构；
第二，它具有非凡的物理性质；
第三，采用逆向设计思想，可以按需定制。
负折射率材料具有介电常数和磁导率同时为负的电磁特性。电磁波在这种介质中传播时，电场强度、磁场强度和传播矢量遵循负折射率的螺旋规律，因此出现了负折射效应、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射、理想透镜等许多奇特的物理现象。负折射率材料的实现使人类拥有了自由控制电磁波的能力，这将对下一代通信、光电子/微电子、隐身、探测、强磁场、太阳能和微波能利用技术产生深远的影响。
光子晶体是指具有光子带隙特性的人工周期性介质结构。它是一种介电常数呈周期性分布的介质复合结构，可以阻止一定频率的光波在其中传播。由于其固有的频率选择特性，光子晶体被认为是未来的半导体，将对光电子学、光通信、微谐振腔、集成光路、红外/雷达隐身等领域产生重大影响。
一些超材料的例子
"电磁黑洞是一种由电磁超材料制成的人造黑洞，可以捕捉各个方向的电磁波，并引导其盘旋直至被黑洞吸收，从而解决了基于引力场的黑洞难以在实验室模拟验证的问题。这一现象的发现不仅将为太阳能利用技术增添新的途径，制造出全新的光热太阳能电池，还将应用于红外热成像技术，大大提高红外信号探测能力。
频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，由金属屏上周期性排列的金属贴片单元或周期性排列的孔径单元组成。它可以选择性地发射或透射不同频段的入射电磁波，已广泛应用于微波天线和天线罩的设计中，也可以作为反射面天线的负反射面，实现频率复用，提高天线的利用率。
巨大的价值引起全球关注。
超材料研究的巨大科学价值及其在诸多应用领域的革命性应用前景，引起了美国、欧洲、俄罗斯、日本等国家政府以及波音、雷神等机构的强烈关注，现已成为国际上最热门、最引人注目的前沿高技术之一。2010年，美国杂志《科学》将超材料列为21世纪第一个十年自然科学领域的10大突破之一。目前，国外的研究领域已经涉及到超材料的基本原理和特性、超材料的实验验证、超材料的设计、超材料的加工制造以及超材料的应用。
美国国防部长办公室已经将超材料列为六大颠覆性基础研究领域(请参考：【科技资讯】美国国防部瞄准未来六大颠覆性基础研究领域)，美国国防部启动了超材料专项研究计划；美国空军科学研究办公室已经将超材料列入十个关键领域美国最大的六家半导体公司英特尔、AMD和IBM也成立了联合基金，资助这方面的研究。欧盟组织了50多位相关领域的顶尖科学家专注于该领域的研究，并给予了高额的资金支持。在日本经济不景气之际，启动了一项研究计划，支持至少两个超材料技术的研究项目，每个项目约30亿日元(约合1.5亿人民币)。同时，超材料被列为下一代隐身战斗机的核心关键技术。
在多个项目的支持下，超材料技术取得了一系列新进展。如美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室与加州大学合作，完成了负折射率材料太赫兹频率特性的研究和探索；美国加州大学完成了利用负折射率材料精确控制光的速度和方向的研究。美国普渡大学和诺福克州立大学合作完成负折射率材料对光吸收的研究；2013年以来，美国陆军和普渡大学研究了在特定电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身材料；劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队已经制造出世界的第一种非线性零折射率超材料，通过这种材料的光在各个方向都会得到增强；2014年，首个三维超材料由法国国家科学研究中心和法国玻尔化学物理高等学院的研究人员通过将物理和化学成分与微流体技术相结合而开发出来。
使用超材料的隐形斗篷
在超材料的应用方面，近年来相关国家和机构开展了许多研究项目。比如DARPA 负折射率材料研究计划；美国杜克大学开展的高增益天线超材料透镜研究，可扩展可重构超材料研究等。此外，近百家美国企业获得了小企业创新计划和企业技术转移资助计划的资助，对超材料技术进行了大量的研究和产品转化。目前超材料领域初步形成的产品有超材料智能蒙皮、雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、通信天线、无人机载雷达等。
神奇功能改变未来运营
超材料因其独特的物理性能一直受到人们的青睐，在军事领域有着巨大的应用前景。近年来，超材料在隐身、电子对抗、雷达等领域的应用成果不断涌现，显示出巨大的应用潜力和发展空间。
隐身是近年来出现率最高的超材料应用，也是迄今为止超材料技术最集中的研究方向。比如美国的F-35战斗机，DDG1000驱逐舰，都采用了超材料隐身技术。未来，超材料在电磁隐身、光学隐身、声学隐身等方面具有巨大的应用潜力，将广泛应用于各种飞机、导弹、卫星、舰船和地面车辆，将使军事隐身技术发生革命性的变化。超材料隐身与传统隐身技术的区别在于，超材料使入射的电磁波、可见光或声波绕过隐藏的物体，从而在技术上实现真正意义上的隐身。
在电磁隐身方面，2006年，美国杜克大学和英国帝国理工学院提出了微波频段电磁隐身的设计方案。该设计方案由10个同心圆柱体组成，采用矩形开口环谐振器单元结构。实验结果表明，利用负折射率材料进行物体隐身是可行的。2012年，东北大学利用掺钪M型钡铁氧化物片和铜线，设计并测试了一种在33 ~ 44 GHz电磁波段负折射率可调的材料。美国雷神公司开发了可控透波人造复合皮肤材料采用嵌入可变电容的金属微结构频率选择表面。通过控制施加在可变电容上的偏压，可以改变频率选择表面的电磁参数，从而实现对材料透波率的手动控制。可应用于各种先进的雷达系统和下一代隐身战斗机的智能隐身蒙皮。
在光学隐身方面，2012年，加拿大超级隐身生物公司发明了一种神奇的材料，叫做量子隐形。它可以折射和弯曲周围的光线，从而使被覆盖的物体或人完全看不见。它不仅可以作弊人的肉眼，而且在军用夜视镜和红外探测器的探测下成功隐形。这种材料不仅可以帮助特种部队在白天完成突袭，还有望应用于下一代隐形战机、舰船和坦克。2014年，美国佛罗里达大学的研究团队开发出一种可以实现可见光隐身的超材料。实现这一技术突破的关键是通过纳米转印技术制作多层三维超材料。纳米转移印刷技术可以改变这种超材料的周围折射率，使光线可以绕过它，从而实现隐身。
在声学隐身方面，2011年，美国杜克大学的Kammerl教授团队研发了一种二维声学斗篷，可以让一个10厘米大小的木块不被声波探测到。2014年3月，杜克大学制造了世界的第一件三维声学斗篷，这是一种由声学隐身超材料制成的声学隐身器件。它可以使入射声波沿斗篷表面传播，不发生反射或透射，从而实现被探测声波的隐身。三维声学斗篷由一些带有重复孔洞的塑料板组成，在3 kHz声波下可以表现出完美的隐身效果，验证了声学斗篷应用于主动声纳对抗的可行性。此外，美国海军还自主研发了一种叫做金属水，制造了一种六角形胞状结构的铝材，并将其融入潜艇艇体覆盖的静音材料中，引导声波，达到隐身目的。隐身超材料技术的发展将对潜艇和其他水下设备的隐身产生革命性的影响，并可能改变游戏未来水下战场的规则。
除了传统意义上的隐形，超材料最近在触觉隐形方面有了新的突破。2014年，德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用机械超材料制作了触觉隐身衣。这是一种全新的隐身技术，可以欺骗人体和探测设备的传感器。这种触觉隐形斗篷由超材料聚合物制成，具有亚微米精度的特殊设计的晶体结构。晶体由针尖相互接触的针锥组成，需要精确计算接触点的大小，以满足所需的机械性能。由这种超材料制成的隐身衣可以屏蔽仪器或人体的触摸，例如用隐身衣覆盖放置在桌面上的突出物体。虽然突出的物体是可见的，你可以当你用手触摸突出的物体时，感觉不到它，就像触摸平面桌面一样。这项技术虽然还处于纯基础物理研究阶段，但将为近年来的国防应用开辟一条新路。
超材料将圆柱体隐藏起来，这样手指就感觉不到了。
天线罩是超材料的另一个应用。国外很多实验表明，超材料应用于导弹、雷达、航天器等天线，可以大大降低天线能耗，提高天线增益，扩展天线带宽，有效增强天线的重点和指向性。
天线方面，雷神公司研发了超材料双频小型化GPS天线，通过精密的人工微结构设计，提高天线单元之间的隔离度，降低天线单元之间的电磁耦合，从而大大扩展了天线的带宽。可应用于对天线尺寸要求严格的飞机平台和个人便携式战术导航终端。2011年2月，洛克希德马丁公司和宾夕法尼亚大学联合开发了一种新型电磁超材料，可用于喇叭形卫星天线，使产品尺寸更小，制造成本更低，并显著提高航天器天线的性能。2014年，英国BAE系统公司开发出一种超材料平面天线，可用于无人机通信。它可以将电磁波通过平面天线后聚焦。它可以在保留平面天线宽带性能的同时聚焦电磁波，克服了传统抛物面天线改为平面天线带来的带宽损失和增益低的问题。同时可以用一根天线代替多根天线，减少天线数量。这一技术突破可能导致飞机、船舶、卫星等天线设计的划时代变革。
至于天线罩，在美国海军的支持下，美国公司成功研制出天线罩用智能超材料结构，并应用于美国陆军新一代E2鹰眼预警机，大大提高了其雷达探测能力。本项目通过超材料的特殊设计，解决了传统天线罩图像失真的问题，同时，本
导弹天线罩方面，美国雷神公司研制了基于超材料的导弹天线罩，可以使穿过导弹天线罩的电磁波不产生有效折射，有效提高导弹打击精度。
用于制作光学透镜的超材料，可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜。其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域；高定向性透镜主要应用于透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域；高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域。2012年，美国密西根大学完成一种新型超材料透镜研究，可用于观察尺寸小于100纳米的物体，且在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内工作性能良好。
结 语
超材料的重要意义不仅体现在几类主要的人工材料上，最主要的是它提供了一种全新的思维方法—人们可以在不违背物理学基本规律的前提下，获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。“一代材料，一代装备”，创新材料的诞生及发展必将会催生出新的武器装备与作战样式。诞生不久就受到全世界拥趸的“超级材料”能否成为下一个新材料传奇？不禁令人无限地遐想和期待。
五、颠覆未来作战的前沿技术系列之太赫兹技术
太赫兹波泛指频率位于红外和微波之间、0.1～10THz波段内的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。由于处于交叉过渡区，太赫兹波既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波的理论来研究。过去很长一段时间，太赫兹波段两侧的红外和微波技术的发展相对比较成熟，但是人们对太赫兹波段的认识仍然非常有限，形成了所谓的“太赫兹空白”。近年来，太赫兹波以其独特的性能和广泛的应用而越来越受到世界各国的关注，已被国际科学界公认为是高科技领域的必争之地，其研究和应用对于未来作战与国家安全将具有重大的战略意义。
不同电磁频谱及其应用
太赫兹波性能独特，蕴含巨大应用前景
太赫兹技术之所以引起科学界广泛的关注，是由于太赫兹波频率上要高于微波，低于红外线；能量大小则在电子和光子之间，与其他频率的电磁波相比，具有很多独特的性质。
高穿透性，太赫兹波对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补；
低能量性，太赫兹光子能量只是X射线光子能量的约1%，太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检质，非常适用于针对人体或其他生物样品的检查；吸水性，水对太赫兹辐射有极强的吸收性，太赫兹波不易穿透含水物体；
瞬态性，太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰；
相干性，太赫兹的相干性源于其相干产生机制，能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等参数；
指纹光谱，大多数极性分子和生物大分子的振动和转动能级间距都处在太赫兹波段，通过特有的光谱特征可以识别分子结构并分析物质成分，具有指纹般的惟一性，就像利用指纹可以识别不同的人一样，根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够鉴别物体的组成成分。
太赫兹技术可用于安检
太赫兹波的独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、医学成像、安全检查等领域带来了深远的影响。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。
军事作战领域太赫兹波的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。目前，太赫兹波已能识别出50多种爆炸物；利用太赫兹波照射路面，还可以远距离探测地下的雷场分布和炸弹情况；太赫兹雷达对隐身目标、高超音速目标等具有较强的探测能力，会在军事上对现有隐身技术产生颠覆性影响；太赫兹波集成了微波通信与光通信的优点，具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多特性，可以在大风、沙尘以及浓烟等恶劣的战场环境下以极高的带宽进行定向、高保密军事通信，在军事通信应用上的前景诱人。
安全与反恐领域太赫兹波是天生的反恐和安检“专家”，许多爆炸物及其相关成分和毒品在太赫兹波段都有指纹谱，再加上太赫兹波的非电离性、强穿透性，可使其在机场、车站、码头等人口密集区提供远距离、大范围的预警。现有金属探测器和X光安检等设备无法识别陶瓷刀具、塑料炸药等新型作案工具或武器，但这些材料在太赫兹波段的透明度较低，可以利用太赫兹成像技术有效地对隐藏在衣服下、包裹中的违禁品进行成像鉴别，同时还能保证对生物体危害极小，因此在安检和反恐领域受到各国高度关注。
检验检测领域太赫兹时域光谱技术可用于对储油层岩石的性质及其内部构造形态进行测量，并根据测量结果对岩石类型进行区分和鉴别；太赫兹光谱仪信噪比高，可以对炸药进行无损、非电离、高灵敏度的光谱测量，适合于危化品鉴别与检测，国内外已经建立了大量有关危化品的太赫兹指纹谱数据库；利用太赫兹技术可进行食品检测，包括水含量检测、有害成分检测、禁用化学成分检测等；太赫兹三维成像还可以用于检测汽车仪表盘、建筑物内的墙后和地板材料表面完整性、瓷砖和纸张等的表面平整度、印刷电路板是否脱层等问题。
航天领域将太赫兹探测器与光学遥感技术相结合，可以实现空间高分辨率、快速成像和波谱探测功能，空间太赫兹被动遥感技术是目前太赫兹技术在天文和深空探测领域的主流应用方向。许多欧美发达国家已经实施或计划实施太赫兹空间计划，利用空间太赫兹设备在一定程度上实现了对地球大气成分、对流层的化学性质及其动力学、温度压力等情况的科学研究工作。利用太赫兹技术可对航天器进行损伤、疲劳和化学剥蚀检查，太赫兹成像技术现已成为美国航天局用来检测航天器缺陷的四大技术之一，如利用太赫兹技术有效地检测出了导致“哥伦比亚”号惨剧的原因（外部燃料箱泡沫脱粘所致）。
生物与医学领域太赫兹成像技术可应用于检查人体组织以发现病变区域，诊断疾病程度以及监测医疗药品的制造等；太赫兹时域光谱技术则可用于检验药品质量、测定药品成分等；由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种、优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。
太赫兹成像装置
受到各国高度关注，多项技术逐渐成熟
随着对太赫兹价值认识的不断深入，各国纷纷加快了针对这一波段的探索，掀起一股研究太赫兹的热潮。太赫兹技术在美国得到了很大的重视和发展，2004年被列为“改变未来世界的十大技术”之一，2006年被列为国防重点科学，目前美国有多个研究机构正在积极发展此项技术。美国国防高级研究计划局（DARPA）开展了TIFT项目研究，开发安全应用方面的小型高感度太赫兹感测系统；美国劳伦斯·伯克利国家实验室开展了先进太赫兹光源以及基于新型半导体材料的太赫兹器件的研究等；美国斯坦福国家加速器实验室在开展基于加速器和基于激光等离子体相互作用的超短高峰值功率的太赫兹脉冲光源；与加州理工大学联合的喷气推进实验室已经在太赫兹远距离成像、太赫兹光谱成像生物医学应用等方面做出了突出贡献。
在欧洲，政府和企业围绕太赫兹技术的广泛应用，加强产学研合作的研发日益活跃。英国开展了WANTED项目研究，开发了l～10THz的广域半导体振动器和检波器，开展了TERAVISION项目，开发应用高功率、小型近红外短脉冲激光的小型医用太赫兹脉冲成像装置；法国实施了NANO-TERA项目，研究太赫兹波段信号处理装置。
2005年1月，日本政府把太赫兹技术确立为十年内重点开发的“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，其标志性成果是2006年研制出的1500米太赫兹无线通信演示系统，完成世界首例太赫兹通信演示。
在各国多项研究计划的带动下，太赫兹技术取得了重要突破，为其实用化与商业化奠定了基础。
应用研究持续推进，军事价值日益显现
近年来，太赫兹应用研究发展迅速，应用范围已从基础科学逐渐向武器装备、航空航天、雷达探测、通信、反恐缉毒等方面不断扩展，在军事领域的应用持续推进，潜在的巨大价值日益显现。
太赫兹成像技术用于公共区域安全监视巡逻
开展各类目标在太赫兹频段散射特性的研究，建立相关的目标特性数据库，对于研究武器装备在太赫兹频段隐身与反隐身突防具有重要作用。美欧等国已经建立了多个太赫兹波特性实验室。其中比较典型的有美国麻省罗尼尔大学所属的太赫兹波实验室，其建立了多套连续太赫兹波实验装置，并对多种频率的目标特性进行了深入研究。丹麦技术大学的研究人员搭建了一套太赫兹准后向模拟目标散射测量系统，后向散射角约6.6°，系统测试频率覆盖了0～3THz。
利用太赫兹成像可以有效地分辨爆炸物、生化制剂以及枪支刀具等危险物品，可作为传统安检手段有力的补充，用于对危险物体和目标的预警和识别。2007年，DARPA立项资助了太赫兹成像与安全监控技术研究，该计划重点研究了太赫兹隐蔽目标探测技术及太赫兹焦平面成像应用概念设计，将太赫兹成像技术用于战场营地安全防护和公共区域安全监视巡逻。2009年，英国ThruVision公司展示了一种利用太赫兹成像技术的新型安检系统，能够在3～15米的安全距离对人群成像，并筛选出隐藏了不明物体的人员。2013年，美国密歇根大学开发出一种光导太赫兹组件，该组件比现有器件的输入功率高出50倍，接收灵敏度高出30倍，总体性能增强1500倍，采用这种高灵敏度新型太赫兹组件，能探测更远距离、更小剂量的爆炸物和毒品。2013年1月，美国加州理工大学开发出一种低成本的微小成像硅芯片，这种芯片能够产生并发射出太赫兹波，激发出比现有器件强近1000倍的信号，成为世界上第一个集成的太赫兹扫描阵列。
与传统微波雷达相比，太赫兹雷达的波长更短，能提供更宽的带宽，能对目标实现高精度成像。太赫兹雷达发射的波束极窄，可提高对多目标的区分和识别能力。由于太赫兹雷达具有极宽的带宽，不管目标采用外形隐身或雷达吸波隐身，对它都“无处遁形”，因此它又是一种反隐身雷达。
喷气推进实验室研制的太赫兹雷达
美国在太赫兹雷达领域取得了较多成果，马萨诸塞大学、喷气推进实验室、DARPA等机构均开展了太赫兹雷达技术的研究，并通过实验对其关键技术进行了验证。2010年，马萨诸塞大学用太赫兹量子级联激光器制造了一部2.408THz的相干雷达，并对1:72的T-80BV坦克模型进行了逆合成孔径雷达成像，获得了整体轮廓清楚的坦克模型图像。2012年，喷气推进实验室利用0.675THz扫描成像雷达探测到了隐藏在厚衣服下面的聚氯乙烯管。2012年，DARPA开展“文章合成孔径雷达”项目，研制能够透过云层、灰尘和其他遮蔽物进行文章合成孔径成像的太赫兹探测雷达。2014年2月，喷气推进实验室称，其研制的工作频率0.6THz的雷达能迅速探测出25米外隐藏武器的人员。该太赫兹雷达有如此高的分辨率，是因为采用了频率调制连续波雷达技术。
其他国家在太赫兹雷达领域也有所进展。2007年，德国高频物理与雷达技术研究所研制了工作频率0.22THz的太赫兹成像雷达COBRA-220，作用距离500米，成像分辨率达到1.8厘米。2010年，瑞典查尔姆斯科技大学基于倍频链路与外差接收链路制造了一部0.34THz的太赫兹成像雷达。
结 语
太赫兹技术是一门极具活力的前沿领域，其应用非常广泛。随着科学技术的不断发展，太赫兹技术领域的新理论、新现象、新方法和新应用层出不穷。经过不懈的努力，中国已经在太赫兹技术这一“真空地带”有所建树，我们要有高度的紧迫感和责任感，努力推动太赫兹技术及其应用更进一步的发展，在这一重要战略前沿领域占据制高点和主动权。
六、颠覆未来作战的前沿技术系列之微系统技术
微系统是以微纳尺度理论为支撑，以微纳制造及工艺等为基础，不断融入微机械、微电子、微光学、微能源、微流动等各种技术，具有微感知、微处理、微控制、微传输、微对抗等功能，并通过功能模块的集成，实现单一或多类用途的综合性前沿技术。微系统是一项多学科交叉的新兴高新技术，在信息、生物、航天、军事等领域具有广泛的应用前景，对于国家保持技术领先优势具有重要意义。
1、引发武器装备重大变革
与传统装置相比，微系统由于将各种功能高度集成，因此具有微型化、成本低、性能高等优点，广泛应用于仪器测量、无线通信、军事国防、生物化学、能源环境等领域。微系统技术正处于向大规模应用转化的关键阶段，由微器件技术制造的芯片已经在诸多领域得到应用，将对武器装备发展与作战影响深远。
微系统对于武器装备发展具有革命性的影响。微系统技术将多种先进技术高度融合，将传统各自独立的信息获取、处理、命令执行等系统融为一体，能够促进武器装备微小型化和智能化，对于加速武器装备系统性能的全面提高，有效降低尺寸、重量与成本等具有革命性的影响。例如，采用微系统技术制造的导弹加速度计和陀螺仪的价格仅为原来的1/50，采用微系统技术研制的芯片级原子钟将比传统原子钟体积缩小100倍；由美国国防高级研究计划局（DARPA）主持、霍尼韦尔公司研制的“T-鹰”微型无人机已在阿富汗战场得到了实战检验，其质量仅为9千克，可飞行50分钟。
微系统技术是DARPA近十年来大力发展的现代前沿技术，对美国保持其国防科技领先优势具有重要意义。自1992年以来，DARPA微系统技术办公室已经对微处理器、微机电系统和光子元器件等微电子产品进行了预先战略投资，取得了显著成果。近年来，DARPA微系统技术办公室先后组织实施了上百项与先进微系统技术密切关联的研究开发计划，所涉及的项目全面覆盖了先进电子元器件和集成电路发展的前沿领域，例如宽禁带半导体技术、先进微系统技术、电子和光子集成电路、焦点中心研究计划、自适应焦平面阵列、光纤激光器革命、太赫兹成像焦平面技术、微机电系统（MEMS）、微型同位素电源等几十项研究计划。
为了应对新的安全挑战，DARPA微系统办公室目前已着手开发新一代微系统技术。2013年1月，DARPA和美国半导体研究联盟共同宣布开展半导体技术跨代研究，实施“半导体技术先期研究网络”（STARnet）计划。该计划的目标是，攻克影响下一代半导体技术长期性发展的全局性重大技术难题，发展新原理、新材料、新技术、新器件、新型片内微架构、新型系统集成方式和全新应用方式，使微纳电子技术发展摆脱CMOS器件的固有模式和局限，改变数十年来“依靠器件微型化提升芯片性能”的范式，使下一代半导体技术在新基础上获得更大发展空间，使美国半导体技术在未来数十年继续保持领先地位。
图 采用14纳米工艺的英特尔处理器
2、微系统关键技术取得多项突破
微系统涉及微处理器、微机电系统、微电子、微集成等多个技术领域。近年来，微系统相关技术发展迅速，微系统集成方法与工艺有了新的突破，微电子器件特征尺寸继续减小，微处理器、微射频器等性能进一步提升，碳化硅与氮化镓等第三代半导体材料器件日益成熟并进入应用阶段，为微系统技术发展提供了有效支撑。
微传感器是传感技术微型化的基础，是微系统的重要基础技术。近年来，微传感器性能不断提升，可感知对象不断丰富，在生物医学及消费电子产品等领域中得到了广泛应用，对各种传感装备的微型化发展起着巨大的推动作用。例如，DARPA近年来开展研制独立的芯片级惯性导航和精确制导系统部件，降低武器系统对GPS系统的依赖，新器件比传统惯性器件尺寸更小、重量更轻、功耗更低，其工作功率不超过几十毫瓦。
微处理器向着小线宽、低功耗、高性能、智能化方向发展。2011年，三栅晶体管结构微处理器实现量产，标志着晶体管结构从平面到立体的根本性转变，其性能提升37%，功耗降低了50%，成为半导体发展50年来最重要的突破；2013年，美国启动下一代空间微处理器项目，其目标是发展24个支持32位计算的处理器内核，支持100亿次/秒浮点运算，功率不超过7瓦，具有4～8个第三代或第四代双倍速率同步存储器端口；2014年，IBM公司宣布成功研制第二代类脑计算芯片“真北”，该芯片架构类似人脑，集运算、通信、存储功能于一体。
微系统制造工艺有了大幅提高，微电子器件特征尺寸继续减小。2014年，美国和日本先后展示了采用14纳米工艺实现的微处理器和现场可编程门阵列产品，以及15纳米工艺实现的闪存；2014年，三星公司14纳米三栅极FinFET芯片工厂已经开始批量生产，相比20纳米半导体工艺，14纳米工艺可以将处理器芯片的性能提高20%，功耗能降低35%，占用面积减少15%。借助14纳米工艺，微处理的性能在进一步提高的同时，功耗和成本有所降低。
微集成技术正在由平面集成向三维集成发展，由芯片级向集成度和复杂度更高的系统级发展。微集成技术的成熟将带动具备传感、处理、控制等多种功能的微系统快速发展，在大幅提升性能的同时，实现能耗和体积数十至数百倍的降低。在集成技术方面，开展了“三维集成电路”和“多方式异构集成”等三维集成技术研究，多个低功率、小信号、同质微电子器件的三维集成已成为标准工艺；微/光电子、微机电系统等多种器件间的集成获较大进展。DARPA在2011年启动“电子-光子混杂集成”（E-PHI）计划，目标是将高速电子直接与芯片级的光子微系统集成到一个微型硅芯片上，2014年该项目成功地在硅片上集成数十亿个发光点，发出有效的硅基激光。
微射频集成芯片实现新突破，二维光学相控阵列等新型光电集成器件问世。DARPA在“高效线性全硅发射机集成电路”项目下成功研制出首个可工作在94吉赫的全硅单片集成信号发射机系统级芯片，将原本由多个电路板、单独的金属屏蔽装置和多条输入/输出连线组成的发射机集成到了一个只有半个拇指指甲盖大小的硅芯片上，实现了硅基射频器件输出功率和效率的大幅提升，以及硅数字信号器件和射频器件的单片集成，标志着全硅系统级芯片首次达到毫米波范围。此项技术有望为未来军用射频系统提供新的设计架构，使下一代军用射频通信系统体积更小、重量更轻、成本更低、功能更强。2013年，DARPA开发出二维光学相控阵芯片，将4096个纳米天线集成到一个硅基底上，尺寸只有一个针尖大小，该芯片的成功表明异质、异构硅基光电集成技术取得重要进展。实现这一突破的关键是：一种可以扩展以容纳大量纳米天线的设计；新的微尺寸加工工艺；将电子和光学部件集成到一块单独的芯片。
3、转化应用进入快车道
随着微系统技术不断发展，其应用领域也在不断扩展。微系统技术在导弹、飞行器、雷达、生物医学等领域应用日益广泛，产生了显著的效益。
利用微系统技术发展的微惯性测量装置具有体积小、成本低、质量轻、抗振动、抗冲击能力强和集成化程度高等优点，适用于各种武器的制导系统、光学伺服稳定机构、姿态控制系统等，对于小型飞行器导航、制导与控制领域的发展具有重要意义。国外研制的部分微型惯性测量装置已经具有战术级精度，在制导武器中开始大量应用。例如，美国诺斯罗普·格鲁曼公司制造的SiACTM加速度计，具有战术和导航两种级别的精度，已经在“先进中程空空导弹”“制导多管火箭系统”以及指挥直升机上得到应用。微处理器是微系统技术在导弹中的另一个主要应用，高性能微处理器的应用使导弹制导能力得到进一步提升。
微系统技术的发展促进了微小无人装备的发展，近期在微小无人飞行器和微型机器人等方面均取得了新进展。DARPA从2009年就启动了混合昆虫微机电计划，目的是发展可以控制昆虫运动的技术，该项目承研单位美国密歇根大学和犹他大学2012年研发出一个原型，可以让半机械甲虫通过植入方式，利用翅膀震动产生电能。2014年5月，美国洛克希德·马丁公司推出“矢量鹰”多任务微型无人机，起飞总重只有约1.8千克，其纵向剖面只有约10厘米，拥有一流的载荷、速度和航时能力。“矢量鹰”微型无人机可以在战场上根据各种任务重新配置，包括固定翼型、垂直起降型和倾转旋翼型。由于具备开放式体系结构、可重构的型式、自适应数据链以及载荷可扩展等特性，“矢量鹰”具备广泛的使用范围和较强的适应能力。
2014年，美国哈佛大学的一个研究小组开发出了一款名为Kilobot的机器人。这款机器人直径约为2.5厘米，能够与其他同种类型的机器人共同协作完成任务。机器人系统是一个由1024个Kilobot机器人组成的“团队”，可以依靠自身的振动来移动，并能与附近其他的Kilobot机器人交流。Kilobot机器人内置微处理器，能维持至少3小时的操作，带有两个振动马达，通过三个腿向左、向右或水平向前移动。Kilobot底部配有一个广角红外收发器，可以发射光束到光滑面上，同时也可以接受相邻Kilobot反射的光束，通过这种方式实现彼此间的互动，判断彼此间的距离。同时，美国陆军研究实验室正在研发面向未来的军用微型机器人，能执行隐蔽监听和监视可疑敌对目标任务，帮助士兵和指挥员进行态势评估。美国陆军研究实验室演示验证了利用微机电系统制造工艺开发出的仿昆虫三关节腿式毫米级自主机器人系统，目前正在开发和测试毫米级的机器人腿形结构，包括压电薄膜制动器和铜薄膜分段结构，目的是用于模拟腿部动力学，使其具备移动、提升和抗冲击能力。
微系统在雷达方面得到了广泛应用，在提高雷达性能的同时大幅缩小其重量和体积。2014年10月，美国“陆军联合陆上巡航导弹组网防御传感器系统”（JLENS）系统通过关键里程碑测试，并于12月在美国马里兰州的阿伯丁地面试验场正式部署，标志着由MEMS开关组成的雷达天线已经进入应用阶段。JLENS上安装了X波段的MEMS电扫描相控阵，该天线阵面积仅0.4平方米，使用了2.5万只射频 MEMS开关，实现了±60°电扫描角度，空中探测距离超过20千米。
利用微系统技术可以制造体积非常小且具有一定功能的产品，在医疗植入、生命体征检测等生物与健康领域取得了较大进展。DARPA与美国国立卫生研究院研发了基于MEMS的“片上人体系统”，该项目基于MEMS技术开发微流体芯片来模拟人体的实际生理反应，目的是加速新药物的研发速度和效率，并提供快速检测不明物质毒性的方法。2014年1月，谷歌公司发布了一款智能隐形眼镜，可通过分析佩戴者泪液中的葡萄糖含量帮助糖尿病患者监测血糖水平，从而免去糖尿病患者取血化验的痛苦。该隐形眼镜内置上万个微型晶体管和细如发丝的天线，以无线形式发送到智能手机等移动设备上。2014年11月，美敦力公司发布了全球最小的心脏起搏器Micra，Micra通过微创方式，由腿部血管进入心脏，体积仅为传统起搏器的1/6。
图 运用微系统技术的隐形眼镜
4、结语
当前，微系统技术正从平面集成到三维集成、从微机电/微光电到异质混合集成、从结构/电气一体化到多功能一体化集成等方向发展，并正与生命科学、量子技术、微纳前沿交织融合。微系统相关产品也正从芯片级、组部件级向复杂程度更高的系统级(微型飞行器、片上实验室)等发展，成为聚集前沿科技创新发展的重要领域。微系统技术对武器系统小型化、智能化和轻量化将产生颠覆性影响，在一定程度上将改变未来战争作战模式。
七、颠覆未来作战的前沿技术系列之量子信息技术
科学家预测：在21世纪，信息科学将从经典时代跨越到量子时代。量子信息技术是量子物理与信息技术相结合的战略性前沿科技，因其建构于颠覆性的堪比相对论的基础理论—量子物理之上，从而极富神秘气质，主要包括量子通信、量子计算、量子探测等领域。量子信息技术在确保信息安全、提高运算速度和探测精度等方面具有颠覆性的影响，是目前最引人瞩目的前沿技术领域之一。正如相对论造就了核动力与核武器，量子信息技术造就的量子计算机、量子通信、量子雷达等，势必在未来重新涂抹战争的面孔。
超强能力—量子计算
传统的二进制计算技术以“0”和“1”为基础，进行二进制计算和逻辑判断，因此普通计算机中只存在两种状态。量子计算是利用量子态的相干叠加性进行编码、存储和计算的一种新兴计算技术，基本信息单位是量子比特。在信息长度都为N时，量子位的存贮容量是传统信息位的2N倍，量子计算速度是传统计算速度的2N倍。从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可以存储的数目达2250，比现有已知宇宙中的全部原子数目还多。
量子计算示意图
量子计算机是存储及处理量子信息、运行量子算法的装置，突出优点是存储能力强、运算速度快。传统计算机采用单路串行操作，而量子计算机采用多路并行操作，它们运算速度的差异，就如同万只蜗牛排队过独木桥与万只飞鸟同时升上天空的区别。
当前，量子计算研究受到了全世界的关注，世界主要军事国家正在以巨大的热情追寻着它。美国为推进量子计算芯片研究，启动了“微型曼哈顿”计划，这表明美国对量子计算的重视程度不亚于核武器。日本和欧洲也启动了类似计划。2014年1月，斯诺登披露美国国家安全局正在研制能破译多种密码的量子计算机，代号为“攻克难关”和“掌握网络”两个秘密项目。
迄今为止，世界上还没有严格意义上的量子计算机，但量子计算已经取得了多项重要进展。2011年5月11日，加拿大D-Wave公司发布了号称“全球第一款商用型量子计算机”的计算设备D-WaveⅠ；2013年10月，以全新超导处理器为基础的512量子比特D-WaveⅡ商用型量子计算机通过测试，开始服务于美国国家航空航天局的量子人工智能实验室，极大提高了运算速度。
商用型量子计算机D-Wave
如何产生出高纯度的硅晶体，一直是量子计算的重要问题。2014年，美国宣布研制出了世界上纯度最高的硅晶体，硅28的含量为99.9999%，解决了量子高速运算的关键问题。
在军事应用方面，量子计算具有广阔的前景：一是运用量子计算快速破译现有密码体系，对现有的以数学为基础的密钥体系形成整体颠覆，从而掌握信息主动权。破译现有密码体系，经典计算需要1000年，而量子计算只需花不到4分钟。因而有科学家宣称：“没有量子计算机的国家与拥有它的国家进行战争，就像一个瞎子和一个明眼人打架。”二是运用量子计算可以对海量情报数据进行实时分析处理，进一步提升作战评估与决策能力。三是运用量子计算可以有效解决高性能、大数据计算问题，可加快导弹攻防系统、新一代空海作战平台、军用航天装备等复杂武器系统的设计和试验进程，缩短建模仿真时间，有效提升武器装备的研发效率。
跨越时空—量子通信
量子通信是利用量子力学基本原理或量子特性进行信息传输的一种新型通信技术，主要包括量子密钥传输和量子隐形传态两种技术。
量子密钥传输量子计算颠覆了传统密码，但是同时量子信息提供了一个传输守护神，即一种理论上无法破解的密码—量子密码。量子密码利用量子态不可复制的特点，解决了密钥传输的安全问题。其具体原理是，甲方利用量子通信把密钥发送给乙方；如果在甲乙双方传送密钥的过程中，有窃听者丙方企图经由探测窃取密钥，必定会破坏粒子的量子态，从而产生误码；甲乙双方通过抽样对比就可以确认该密钥是否被窃听过；当证实密钥未被窃听后，再用这个密钥通过实施“一次一密”进行加密。量子密钥从理论上提供了一种不可窃听、不可破译的绝对安全的密码体制。因此，量子密码具有绝对安全性，它在军事上拥有广阔前景。由于量子密码具有不可破译和窃听可知性，且量子加密设备可与现在的光纤通信设备融合，因此可以用来改进目前军用光网的信息传输保密性，从而提高信息保护和信息对抗能力。
量子通信示意图
近期，量子密钥领域取得了一系列重大进展，技术日益成熟，已有部分实际应用，但传输距离依然受限。2007年，由奥地利、英国、德国等组成的联合小组创造了144千米的量子密钥通信距离纪录；2013年4月，德国研究人员采用激光束发射系统，实现了空地量子密钥传输，试验中密钥传输速率为145量子比特/秒，通信链路持续时间8分钟，误码率仅4.5%。
量子隐形传态真正意义上的量子通信是利用量子信道传送量子信息，主要依靠量子隐形传态方式实现。量子隐形传态是以量子态作为信息载体，利用量子纠缠效应，使量子态从一个地方传至另一个地方。
现实生活中，两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事，这种神奇现象可谓“心灵感应”。与此类似，所谓“量子纠缠”，是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态也会随即发生相应变化。量子隐形传态的基本原理是，将由一个源产生的两个相互纠缠的粒子分发到通信双方，其中一方对粒子做量子态测量，在该粒子的量子态确定的同时，通信另一方的粒子会产生感应，量子态立刻变为被测量粒子的量子态，实现信息传输。
神秘的量子纠缠现象
量子通信有着不可思议的优势。首先，信息在两位通话者之间的传输根本不需要时间，完全同步，无论这两人相隔的距离是100千米、100万千米，还是100光年。其次，量子信道中光子的信息效率，比传统信道高几十倍。最后，量子通信没有电磁辐射，任何无线电探测系统都对其无能为力，从某种意义上说，量子通信在现有理论环境中实现了绝对隐身。
在国防和军事应用方面，量子通信有着无与伦比的灿烂前景，可以利用量子隐形传输、超大信道容量、超高通信速率等特点，建立满足军事特殊需求的超光速军事信息网络，这与要求苛刻的军事通信简直是天作之合。量子通信更能够应用于深海安全通信，当前使用的对潜通信系统规模庞大，通信质量差，效率低，造价高，严重影响水下通信的质量。量子通信因其与传输媒介无关，不受海水影响，获得可靠通信所需的信噪比比光、电等传统通信手段低30~40分贝左右，为远洋深海安全通信开辟了一条崭新的途径。
目前，量子隐形传态虽然有了一些新的突破，但距离实际应用依然遥远，面临纠缠光源获取困难、传输成功率尚不能满足实用要求等问题。
无处遁形—量子探测
量子探测是利用量子纠缠和叠加特性，对物体进行测量或成像。目前，量子探测的热点主要集中在量子成像、量子雷达、量子传感等领域。虽然这些技术的成熟度较低，但是其潜在应用将对未来作战模式产生深远影响，可真正实现全天候、反隐身、抗干扰作战。
量子成像量子成像是利用量子光场实现的一种超高分辨率成像方法，基本过程是将光源产生的光束输送到两个不同的光学线性系统中，在其中一个光学系统中放置物体和点光源探测器，在另一个光学系统中只放置一个高分辨率探测器，通过将点光源探测器得到的光强度与高分辨率探测器得到的图像进行强度关联，就可以获得物体的像。由于量子成像可通过一定的手段，在没有物体的光路上得到物体的像，因此这种成像方式又被称为“鬼成像”。
由于量子成像技术受障碍物、烟尘雾霾、大气湍流等环境因素的影响较小，其在战场上的潜在应用引发了国外军事强国的关注，尤其是美国陆军，早在2003年就开始研究量子成像技术。2013年，美国陆军研究实验室申请了“用于图像增强和改进的系统与方法”的创新技术专利，该专利是关于在红外波段进行量子成像的技术。同时，美国陆军实验室还进行了距离2.33千米的红外量子成像测试，在低光和气流紊乱情况下获取了非常清晰的图像。2014年，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所、维也纳量子科技中心和维也纳大学研究人员，开发出一种全新的违反直觉特征的量子成像技术，首次实现了无需探测光照射被拍摄物体便可获得物体图像，光不需接触被拍摄物体即可显示图像。
量子雷达量子雷达是基于量子纠缠理论，将量子信息调制到雷达信号中，从而实现目标探测的一种设备，主要包括单光子量子雷达、纠缠光子量子雷达及量子激光雷达。量子雷达的灵敏度远远高于传统雷达，可以探测到目前最先进的隐形目标。目前，量子雷达技术的相关基本理论已经成熟，但受量子雷达关键技术及器件性能的限制，技术上还处于探索阶段。量子雷达为反隐身提供了一种全新的技术发展途径，在探测隐身目标方面具有重大的发展及应用价值。例如，如果有一架隐身飞机通过拦截光子并重新发送虚假信号实现隐身，那么只要雷达回波仅相当于一只鸟的大小，就可以掩盖自身的真实位置，但量子雷达在这一欺骗过程中可以轻易发现飞机的踪迹。2012年12月，美国罗切斯特大学研究所披露了利用量子增强型激光雷达对隐身目标进行探测的试验情况，这次试验证明了量子雷达不仅能探测到隐身飞机，还能探测到具有欺骗能力的隐身飞机。
量子罗盘
量子传感量子传感是利用量子信号对环境变化的极高敏感性，提高测量精度的一种新型传感方法。美国国防高级研究计划局正在开展的“生物环境中的量子效应”项目，利用生物环境量子效应研究电磁噪声对鸟类内部磁罗盘的干扰，有助于新兴仿生传感器、先进人造传感器的研制。2013年7月，美国陆军利用激光冷却原子的方法实现了在量子传感器领域的突破，大幅提高了全球定位系统拒止环境下的导航和探测能力。2014年，英国国防科学技术实验室开发出“量子罗盘”导航系统原型机，其具体原理是，通过把一些离子“囚禁”在超低温状态，并减少外部电波造成的影响，使被囚禁的离子仅对地球产生的电磁扰动敏感，通过测量地球产生的电磁扰动对这些离子的影响，就能以极高精度实现导航和定位功能。目前，科学家把主要精力用于将该设备的小型化，以便用于战场。
结 语
战略博弈的赢家，只能是那些见一叶而知天下秋，并立即付诸行动的智者。作为一种战略性前沿技术，量子信息技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景，对于国家安全具有重大战略意义。面对量子信息技术的机遇与挑战，只有尽早规划，提前部署，才能在未来战争中占据先机和主动。正如制空权理论的建构者、意大利军事家杜黑的名言：“胜利只向那些能预见战争特性变化的人微笑，而不是向那些等待变化发生才去适应的人微笑。”
八、颠覆未来作战的前沿技术系列之增强现实技术
增强现实技术是将计算机生成的虚拟信息合成到用户感知的真实世界中的一种技术，可以实现对真实世界的增加和强化。从武器装备设计研制、维修保障、作战训练到作战指挥，增强现实技术均能大显神通。作为一项重要的军民通用前沿技术，目前增强现实技术的许多应用已经令人瞩目，随着研究和应用的日趋成熟，必将对未来作战产生深远和颠覆性的影响。
从“人适应世界”到“世界适应人”
增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，该技术将计算机生成的虚拟物体、场景、声音或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实场景的增强，增加用户对现实世界的感知。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观世界中所经历的，而且能够突破空间、时间以及其他限制，感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。
增强现实技术的最大优势在于，通过真实世界和虚拟世界相互结合，使真实世界得到增加和加强，从而以新的方式大幅提升了人们认知和改造真实世界的能力，出现了从“人适应世界”到“世界适应人”的重大变化。
电影中的增强现实技术
增强现实与虚拟现实技术的主要区别在于虚拟现实技术是创造一个全新的虚拟世界出来，用户将完全沉浸于一个虚拟的合成世界中，无法看到所处的现实世界。而增强技术则是强调虚实结合，让用户看到真实世界的同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象。增强现实系统中真实物体和虚拟物体必须无缝结合在一起，并能够进行交互。在增强现实的环境中，使用者可以在看到周围真实环境的同时，看到计算机产生的增强信息。这种增强的信息可以是在真实环境中与真实环境共存的虚拟物体，也可以是关于存在的真实物体的非几何信息。增强现实系统具有虚实结合、实时交互、3D定位3种主要功能，整个系统由信息输入、信息处理和信息输出3部分组成。
增强现实系统需要采用图形图像渲染技术、界面和可视化技术、跟踪和定位技术、标定技术、模式识别技术等。其中图形图像渲染技术用于渲染虚拟物体和场景；界面和可视化技术用于实现友好的人机交互界面，并将渲染的物体和场景清晰显示出来；跟踪和定位技术与标定技术共同完成对位置与方位的检测，并将数据报告给增强现实系统，实现被跟踪对象在真实世界里的坐标与虚拟世界中的坐标统一，达到让虚拟物体与用户环境无缝结合的目标。为了生成准确定位，增强现实系统需要进行大量的标定，测量值包括摄像机参数、视域范围、传感器的偏移、对象定位以及变形等。模式识别技术用于图像等特征信息的识别和提取。
增强现实技术的研究，最早可以追溯至1968年美国麻省理工学院研制出的，世界上第一台采用阴极射线管的光学透明头戴式显示器，用于实时显示计算机生成的图形，在这项研究的基础上，此后的头戴显示器在飞机、地面车辆以及舰只训练方面都取得了不俗的成绩。1986年，美国北卡大学研制出用于实现生物、化学和建筑可视化的STHMD系统。20世纪90年代，波音公司设计了一个辅助飞机线缆连接与装配的增强现实系统，工程师在该系统的指导下，完成飞机线缆的布线工作。进入21世纪，增强现实技术发展迅速，逐步从实验室走向工程应用。2003年，欧洲Starmate系统和德国Arvika系统的研制成功，显示了增强现实技术在复杂机电系统维修装配领域的巨大应用潜力。2007年，牛津大学研究人员开发了实时追踪与绘图并行的增强现实系统。2009年，哥伦比亚大学开发了基于移动增强现实的城市设计规划辅助软件。2012年谷歌眼镜的推出以及微软2015年展示的HoloLens增强现实设备，进一步激发了全球增强现实技术研发与应用的新热潮。
经过多年的发展，各国研究者在跟踪技术、显示技术、交互技术等增强现实关键与支撑技术上不断取得突破，其应用领域也在被不断扩展。当前，随着计算机软硬件计算能力的提高，以及物联网、大数据等新一代信息技术的发展，增强现实技术已经逐步从实验室理论研究阶段开始转入大众与行业应用阶段，为人们提供了认知与体验周围事物的全新方式，被众多知名机构预测为未来最有前景的技术之一。
多领域应用前景令人瞩目
由于具有对真实环境进行增强输出的特性，增强现实技术在武器装备研制、军事作战、装备组装与维修、工程设计、数据模型的可视化、虚拟训练、医疗救护、娱乐与艺术等多个领域展示了广阔的应用前景。
在工业领域，增强现实技术可用于工业设计、复杂机械的装配、维护和维修。未来增强现实技术在工业上的发展趋势，将从工业设计、运动装配、维修过程，扩展到制造业的各个阶段，在国外的一些发达工业国，已经在开始设想增强现实技术在未来的智慧工厂中的应用。美国Marine公司使用哥伦比亚大学图形和用户界面实验室设计制造的增强现实辅助维修系统（头戴式显示器），将增强现实技术应用于装甲炮塔的制造。索尼公司的TransVision增强现实样机系统能通过头盔显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等。
增强现实技术让医生在手术中能够查看隐藏的血管
在航天方面，增强现实技术在太空维修、航天员训练、辅助操作等领域的巨大应用潜力已逐渐显现出来。2009年，欧洲航天局设计了WEAR可穿戴增强现实系统，该系统使用了空间站上的工作计算机，集成了头戴跟踪与显示系统，在一只眼睛的视场中添加了三维图形与指示数据，并验证了增强现实技术在国际空间站上应用的可行性。2015年3月，美国航空航天局（NASA）宣布在未来的航天任务中使用ODG公司的智能眼镜。该智能眼镜将会被用于地面及太空中的训练，解放宇航员的双手以提高工作效率，宇航员将直接通过他们的增强现实眼镜接收重要信息和指令，以减少不必要的搜索时间。2015年6月，微软增强现实设备HoloLens获得了美国NASA的垂青，将作为Sidekick项目的关键工具，随着SpaceX公司的太空飞船登陆太空，Sidekick项目能够帮助宇航员更快适应空间站环境，从而缩短训练时间、提升任务效率。
医学领域是增强现实技术应用研究的一个新热点，利用增强现实技术可以将病人的各类信息叠加在病人身体或实物人体模型上，帮助医生进行手术方案的制定、手术时的精确定位与辅助指引、模拟的手术训练等。麻省理工学院的人工智能实验室已经进行了增强现实技术在脑外科手术中的应用研究。2012年，在欧洲航天局的资助下，比利时空间应用服务部门研制了一种新型增强现实系统——电脑辅助医疗诊断和外科手术系统，其使用立体声头戴式显示器和超声诊断工具，通过红外摄像机对患者病灶处进行跟踪治疗，可以为航天员提供即时的专业医疗诊断服务。
此外，日常生活中还有很多可以应用增强现实技术的地方，其中最典型的就是游戏娱乐、模拟装修、模拟试衣、活动演出等。索尼公司推出的EyePet游戏就是典型的相关应用。
随着移动智能终端CPU、GPU等处理器性能的提升，大尺寸、高分辨率触摸屏的使用，摄像头成像质量的提高，手机天线、无线数据传输能力的提升，以及移动智能终端相关软件应用的不断丰富，将使越来越多的移动互联网用户通过移动智能终端体验增强现实技术的魅力。
巨大军事价值日益显现
国防先进制造通过增强现实显示设备可以实时展示和共享实物、模型、设计图纸等信息，利用多通道人机自然交互技术，使得异地、多人可以实时互动，沟通交流设计思想，修改与改进方案；增强现实技术还可为用户提供先期演示，让研制者和用户同时进入虚实结合的作战环境中操作武器系统，检验武器系统的设计方案、战术、技术性能指标及其操作的合理性；通过增强现实系统，可以将装配维修的标准工作流程指南准确地显示给用户，提高工作效率。2015年，由美国国防部牵头成立的数字化制造与设计创新机构发布了七大研发项目，其中之一就是“基于增强现实和可穿戴计算的生产车间布局”。
武器装备综合维修保障将增强现实技术用于装备维修中，可以直接在实际设备中添加多种信息，一步一步地提示技术人员应该做什么以及如何做，方便装备的维修，降低了装备拆装、保养、维修的难度，极大提高了装备保障的效率。例如，欧洲空中客车公司利用Arvika系统来解决欧洲某型战斗机布线问题，操作工人可以通过语音调用虚拟提示，轻松地按照每步的提示，完成高密度的布线工作。DART510型航空发动机应用增强现实维修系统后，其维修时间减少了56%。
战场环境增强显示可以利用增强现实技术来增强战场环境信息，在真实环境中融合虚拟物体，可以增强真实的战场场景。美国的SIMNET系统在1995年融入了增强现实技术，通过一些特殊的头盔式显示器和测距仪，使配备该设备的战斗人员能够看见其他作战单位的增强信息。2012年，美国国防高级研究计划局在“士兵视觉增强系统”项目下开始研发一种隐形眼镜，该隐形眼镜可以增强作战人员的正常视力，佩戴该隐形眼镜的作战人员可以看到虚拟的、增强现实的图像，整个过程无需借助庞大笨重的仪器。近年来，美军开发了“战场增强现实系统”，该系统包括可穿戴式增强现实系统和三维交互命令环境，其系统样机已实现了指挥中心与各战斗员之间的信息传输，未来将满足城市作战中提供单兵环境位置及协同信息的需求。
使用增强现实眼镜的海军陆战队员
航空作战环境感知利用现实增强技术，在飞行员座舱的前方玻璃上或者他们的头盔显示器上，可将矢量图形叠加到飞行员的视野中，不仅能向飞行员提供导航信息，还提供了包括敌方隐藏力量的增强战场信息。2011年，泰莱斯公司在巴黎航展上展示了基于增强现实技术的“顶点猫头鹰”头盔瞄准显示器，该系统可直接将相关信息投影于驾驶员的头盔取景器上，为其提供直升机周边虚拟的画面，使其在各类恶劣的地理和气象条件下，作战场景或目标还可以增强现实的方式加以显示。系统现已部署于位于阿富汗的法军和美军的“虎”、NH90、AH-1Z“眼镜蛇”等直升机上。美军近期即将为F-35战斗机配备多功能头盔，除了传统的供氧作用外，该头盔还拥有通信联络、信息显示和武器瞄准等多种功能，其中最具特色的部分就是采用了先进的传感技术，通过分布在机身的高清和红外摄像机，做到360°观察机身周围。该头盔还采用了增强现实技术和头部跟踪系统，飞行员头转向哪一方，头盔便会显示该方向的即时态势。英国BAE公司正在研制“可穿戴式驾驶舱”，通过该系统飞行员将会看到增强现实的图像，替换了以往作战飞机中的物理图像和控制信息。
军事训练与演习增强现实技术可以为部队的训练提供新方法，通过增强的军事训练系统，可以为军事训练提供比传统训练和演习更加真实的战场环境，进一步提升军事训练的实战化水平。2014年，美军展示了“增强现实沙盘”系统，该系统可直观反映战场真实地形地貌，使作战人员能身临其境地了解作战地形，这将对未来作战演练、兵棋推演等产生重大影响。2015年6月，美国海军陆战队在弗吉尼亚州展示了一种能够模拟战场环境的增强现实眼镜，并将其接入到了名为“增强沉浸式团队训练器”的大型训练系统当中，全套系统集成了武器、望远镜和其他可能出现在战场上的物理装备。
战场作战指挥将增强现实技术应用于联合作战指挥系统中，可以允许各级指挥员同时观看、讨论战场以及与虚拟场景交互，实现整个战场信息的高度共享，这将更有利于各级指挥员快速、正确理解上级意图。通过增强的作战指挥系统，指挥员能实时掌握各个作战单元的情况，有利于指挥员及时做出正确的作战决策。
结 语
国外媒体将增强现实技术列为2014年十五大科技发展趋势之一，2015年，增强现实的相关应用全球下载量预计将高达14亿次，较2010年增长超过100倍。未来，通过技术的突破，内容的精良化，沉浸式虚实融合的有效互动，硬件设备性能的完善，再加上云计算和云存储的发展，增强现实的研究和应用将日趋成熟，必将在军事领域产生深远的影响。
