高度な電磁波制御技術には、新しいスペクトル資源のオープン利用、マイクロ波、テラヘルツ波、光波における新材料と新しい構造デバイスの応用、固体量子ビットの電磁波制御、およびその他の技術が含まれます。

無線通信の観点から見ると、THz はブロードバンド移動通信や宇宙通信に特に適しており、次世代通信技術の焦点となっています。国際通信連合は、次世代地上無線通信 (携帯電話) と衛星間通信にそれぞれ 012THz と 022THz の周波数帯域を指定しました。また、テラヘルツ波通信は近距離での強力な耐干渉性能を有しており、局地戦においては2～5km以内で高速・大容量の秘匿通信を実現できます。 2006 年に日本は 012THz、15Km の無線通信システムを開発し、さらなる開発が確実に 03THz 以上の範囲に入るでしょう。

レーダーリモートセンシング検出の観点から見ると、テラヘルツ波はマイクロ波やミリ波よりも高い分解能とより正確な測位や画像化を実現でき、軍事目標の偵察、識別、精密誘導などの用途に大きな可能性を秘めています。同時に、有機生体高分子はテラヘルツ周波数帯域に特徴的な吸収スペクトルを持っているため、テラヘルツ波は、リモートセンシングによる検出や生物兵器および化学兵器の脅威の早期警告にレーダーを使用するための理想的なツールでもあります。現在、米国は航空機搭載の0225THz軍事リモートセンシングレーダーシステムを確立し、実験に成功している。

テロ対策や麻薬対策などの国土安全保障の側面において、THz スペクトル イメージング技術は、危険物を携行している不審者の長距離検出など、幅広い用途に使用されています。建物の外側から壁情報を取得する。手紙やパッケージに隠れている可能性のある薬物や炭疽菌ウイルスなどの有害物質を迅速に検出します。米国のオークリッジ国立研究所とテネシー大学は協力して、THz技術に基づく「壁貫通プロジェクト」を実施した。

物理学、化学、生物医学、環境科学、天文学、材料科学などの分野の基礎研究に関して、テラヘルツ波は物質内部の詳細な研究を行うための特別かつ効果的なプローブとして使用でき、物質の物理的、化学的、生物学的成分、スペクトル特性、分子、量子相互作用プロセス、その他の重要な情報を提供します。これは、生体分子検出のための非常に重要な新しい研究方法でもあります。 THz 帯域は宇宙の光子エネルギーの約半分を占めており、星の形成、銀河の進化、宇宙論など、さまざまなレベルで豊富な天体情報を提供できます。我が国の将来の宇宙研究や月探査計画において、テラヘルツ波は、惑星の表面特性や極域の放射特性など、多くの重要な情報を提供する可能性もあります。

テラヘルツ波技術の重要な学術的価値と重要な応用の見通しを考慮して、各国は過去20年間に多大な関心と投資を払ってきました。米国では、1990 年代後半以来、国立財団 (NSF)、国家宇宙局 (NASA)、国防総省 (DARPA)、エネルギー省 (DOE)、国立衛生研究所 (NIH) などの部門がテラヘルツ技術の研究に大規模な資金を投資してきました。ヨーロッパでは、小型デバイス、イメージング、リモートセンシング、検出器、テラヘルツ波と生物学的システムの相互作用に関する研究などの技術を開発するために、国を超えた多分野にわたる大規模な共同研究プロジェクトが組織されています。アジアでも、日本や韓国などのさまざまな研究機関や大学がこの分野に多額の資金を投資しています。 2004年、米国のMITはテラヘルツ技術を「未来の世界を変えるトップ10技術」の5つのうちの1つとして評価した。 2005 年 1 月 8 日、日本政府はテラヘルツ技術を「国家基幹技術の 10 の重要戦略目標」の最初に挙げました。

この国では、テラヘルツ科学技術が大きな注目を集めています。国家科学技術部、中国自然科学財団、863 プログラムはすべて一定の支援を提供しています。 2005年にテラヘルツ科学技術をテーマとした第270回香山科学会議が開催され、我が国のテラヘルツ科学技術研究は大きく推進されました。我が国は、テラヘルツ源、検出、イメージング、送信の分野における理論的・実験的研究において独自の研究特性を形成し、いくつかの重要な成果を上げている。南京大学はすでに、薄膜や接合の作製から、THz照射下での薄膜や接合の物理的特性の研究、そして最終的にはデバイスの形成に至るまで、一連の技術能力を備えています。

人工電磁材料の最新の進歩、開発動向、応用の展望

新しい人工電磁材料の研究は、1999 年に負の屈折率媒質 (ε とμは両方とも負) の研究から始まりました。負の屈折率媒体は、2003 年にサイエンス誌によって世界の科学的進歩トップ 10 の 1 つとして評価され、2004 年には国際物理学会によって最も影響力のある研究の進歩として評価されました。人工電磁材料や構造のユニークな特性を利用して電磁デバイスの性能を効果的に向上させることで、画期的な新しいマイクロ波、テラヘルツ、光電子デバイスを設計することも可能となり、電子情報や国防技術などの分野に技術的ブレークスルーをもたらします。

近年の新しい人工電磁材料の非常に重要な用途は、電磁波の伝播モードを任意に制御する効果的な手段を提供することです。電磁波の伝播を複雑かつ精密に制御するには、理論的には、使用される材料の誘電率や透磁率が空間中で一定の法則に従って変化し、しばしば何らかの特異な値をとることが必要となります。したがって、従来の材料や従来の電磁波ガイド構造ではこれを行うことができません。新しい人工電磁材料の各構成ユニットは手動で制御できるため、各部品の電磁応答特性を柔軟かつ便利に調整できます。したがって、これまでのところ、新しい人工電磁材料は、複雑な電磁波伝播を実現するための唯一のオプションの媒体です。

2006 年、ペンドリー教授は、マクスウェル方程式における座標変換の共分散に基づいた変換光学理論を提案しました。この理論を適用して人工電磁材料の電磁パラメータを合理的に設計すると、入射電磁波がターゲットを覆う人工電磁材料内を完全に伝播し、ターゲットの完全なステルスを達成できます。その後、DR スミス教授らは電磁波の曲げ伝播という新しい概念を実験的に検証し、マイクロ波周波数帯で金属ターゲットのステルス性を実現しました。この研究は間違いなく、電磁情報の普及と処理、および国防技術の多くの側面に重大な影響を与えます。そのため、アメリカの「サイエンス」誌により、2006 年の科学技術の画期的な進歩トップ 10 の 1 つに選ばれました。

新しい人工電磁材料の構造は、低周波数帯域から高周波数帯域まで徐々に発展し、動作周波数はテラヘルツ、赤外線、さらには可視光にまで達しました。高周波帯域の応用の可能性は膨大であるため、研究者はこの方向に取り組むことが求められています。高周波帯域では、プラズマ特性や金属構造単位の小型特性が新しい人工電磁材料の開発に新たな話題をもたらしている。たとえば、パデュー大学シャラエフ研究グループは、光周波数帯域で磁気共鳴を達成するために二重層金属グリッド構造を使用することを提案しました。カリフォルニア大学バークレー校、シャン・チャン、アイオワ州立大学ソウコウリスの研究グループは、磁気共鳴などを実現するために、テラヘルツおよび100テラヘルツ帯域でオープンメタルリング構造を開発しました。

現在、人々は新しい人工電磁材料の理論、特性、応用の見通しについて徐々に明らかになりつつあります。欧米諸国の研究機関や政府は、その技術的・産業的潜在力に大きな可能性を見出しており、その研究開発を非常に重視しています。例えば、ヨーロッパの24の大学が新しい人工電磁材料の研究に参加する欧州共同体共同調整プロジェクトMETAMORPHOSE（無線、ミリ波、光超格子工学のためのメタマテリアルズオーガナイズド）は、第2フェーズに入った。米国の主要な財団 (DARPA、NSF、ONR、AFSOR、ARO など) は、新しい人工電磁材料の研究を強力にサポートしています。米軍はまた、人工電磁材料がマイクロ波装置の小型化、小型で効率的なアンテナ、テラヘルツスペクトルの制御と検出、および新しい光電子装置に画期的な進歩をもたらす可能性があると非常に楽観視している。これは、情報処理、通信、電子戦能力を向上させるために特に重要です。フランス、ドイツ、イタリア、スペイン、日本、シンガポールなどがこの研究に多額の研究資金を投資している。国内では、中国国家自然科学財団の主要プロジェクト、科学技術省の 973 プロジェクト、および総合兵器部門の事前研究計画も、この新しい人工材料の研究に重要な資金を提供しています。

超伝導量子コンピューティングの最新の進歩、開発傾向、応用の見通し

半導体産業に基づくコンピューターおよび情報処理技術は人類の発展の重要な部分です。しかし、ビットのサイズは縮小し続けるため、ビット内の電子の挙動は古典的な電磁気理論では説明できず、量子力学によって説明する必要があります。ビットは情報を保存できなくなり、ムーアの法則は破綻し、コンピューターと情報産業の発展は制限されるでしょう。したがって、科学者たちは、情報の保存と処理に量子システムを直接使用するという革新的な提案を提出しました。それが量子情報と量子コンピューティングです。量子コンピューターは、250 桁の大きな数を数秒で 2 つの素数の積に分解できますが、現在の大型コンピューターでは 80 万年かかります。

量子情報と量子コンピューティングの基本原理は、量子システムを情報処理の基本単位 (量子ビット) として使用し、量子システムの状態を人工的に制御することです。現在、量子ビットを実現するための量子系としては、核磁気共鳴（核スピン）、イオン、光子、量子ドット、超伝導量子デバイスなど多くの種類が提案されている。超伝導量子デバイスは半導体集積技術を使用しており、集積が容易であるという優れた利点により、量子コンピューティング研究における国際的なフロンティアのホットスポットとなりつつあります。 1999 年以来、量子コヒーレント振動が単一の超伝導量子デバイスで観察されています (Nature 398, 786 (1999))。これにより、超伝導量子デバイスが明確に定義された量子ビットを備えた巨視的な量子システムであることが証明されました。近年、結合した 2 つの超伝導量子ビットにおける量子コヒーレント振動と量子もつれが報告され (Science 313, 1423 (2006))、超伝導量子ビットが結合およびもつれ得ることが示されました。最近の研究努力は、設計と処理の最適化、デコヒーレンス機構の研究、デコヒーレンス時間の延長、マルチ量子ビット量子もつれと条件付き操作 CNOT の実現に焦点を当てています。

最近、中国では量子コンピューティングと量子情報の分野でいくつかの優れた研究成果が発表されています。超伝導量子コンピューティングに関しては、低温実験条件の制限のため、主に理論研究が集中しています。しかし、超伝導量子コンピューティングの 2 つの重要な側面である超伝導エレクトロニクスと微細加工技術において、南京大学には優れた基盤があり、最近重要な進歩を遂げています。同時に、超伝導量子コンピューティングと量子情報はまだ比較的新しい分野です。継続的に強力なサポートが得られれば、国際レベルに追いつき、より大きな成果を上げることが可能です。