中国科学报｜太赫兹：信息时代待开发的处女地编者按：2021年9月30月

编者按：2021年9月30月，《中国科学报》第三版以《太赫兹：信息时代待开发的处女地》为题，刊发了刘盛纲院士和胡旻教授的署名文章，全文如下：

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1865年，当英国科学家麦克斯韦从理论上预言电磁波的存在时，或许没有想到，他为人类开辟了一个全新的时代——信息时代。1888年，赫兹首次在实验中看到了电磁波， 1905年马可尼利用电磁波实现了越洋电报，从此人类便在利用电磁波的康庄大道上飞速前进。从收音机到电视机再到无线通信，从手机、微波炉到互联网再到雷达，电磁波无时无刻不在改变我们的生活。过去的150年间，人类不断地追求更快、更远、更大容量的信息传递目标，这一目标从未终止，也不会终止。人类开发利用电磁波的努力会一直持续下去。
电磁波是电场和磁场周期性变化相互耦合产生，其变化的快慢被称之为频率（单位赫兹， Hz）。按照频率的高低，可以将其排列在一个轴线上，类似于家谱，科学家称之为电磁波谱。生活中使用的所有电磁波都可以放在上面，而其实肉眼看到的可见光也是电磁波的一种，其频率为1015Hz ，即1秒钟变化1015次的电磁波。
人类对于电磁波的认识和利用已经非常充分，而唯独电磁波谱中间的一个波段没有充分开发，就是太赫兹（THz）波段。其被誉为电磁波谱中尚未开发利用的处女地，处于电子学向光子学的过渡区域。太赫兹波段一般是指频率在0.1THz~10THz的电磁波，而1THz等于1012赫兹。
太赫兹波具有以下特性：载波频率高、带宽大，通信容量大；穿透性好、雷达成像分辨率高；光子能量低、安全性好，可无损检测；覆盖多数物质的特征谱，又被称为指纹谱。这让太赫兹在众多领域表现出重要应用价值，成为各国争相抢占的科学技术制高点。在美国，太赫兹技术被确认为改变未来世界的十大技术之一；在欧盟，已启动多个跨国太赫兹研究计划；日本则将太赫兹科学技术列为未来十年科技战略规划之首。
其实，太赫兹技术距离人们并不遥远， 2019年科学家首次观测到了黑洞，也就是大家熟知的“甜甜圈” ，就是利用太赫兹天文望远镜进行的观测。
太赫兹技术在未来战场侦察、隐身与反隐身、精确制导、电磁对抗等军事领域也将发挥重要作用。因为未来信息化战争的胜败取决于制信息权，而掌握制信息权的根本在于掌握制电磁频谱权，太赫兹是尚未应用的频谱资源，谁先掌握太赫兹频谱资源，谁就将占据未来军事制高点。
太赫兹也是未来地面无线通信的必然选择。以移动通信为例，从第二代的2G时代到现在的5G时代，通信速率从200kb发展到大于100Mb ，已经使我们每个人感受到通信的快捷便利。未来发展到太赫兹移动通信时代，通信速率将超过100Gb ，高出3个量级，我们可以想象，太赫兹移动通信技术将为我们的生活带来何等的变化？一方面，随着太赫兹技术的发展，电子设备的体系结构将发生革命性的变化，信息的交互将不依赖于电路板和线缆。另一方面，随着人类社会的飞速发展，对大容量高速信息的交互需求越来越旺盛，天基卫星互联网正在蓬勃发展。
太赫兹在高速率通信、电磁对抗与遥感等信息领域，及物理、化学、生物、医学等前沿基础领域中已显示出巨大的潜力。以太赫兹生物交叉领域为例，红外光谱只能检测出分子键的振动。太赫兹可以测量这些由碳、氢、氧、氮元素组成的大分子有机基团，如蛋白质大分子的基团振动和转动谱，从而以指纹谱的形式检测出有机物的分子基团构型等信息。2014年，英国科学家首先观察到了蛋白质的活体折叠，并证明了蛋白质可以在离体的情况下长时间存活，开启了研究太赫兹和生物体系相互作用的大门。