中國稀土之鉺，雷射武器、光纖通訊、量子計算之魂

中東有石油，中國有稀土，稀土不會用，那才叫命苦！我們繼續講中國稀土應用系列，講一講稀土在尖端科技雷射武器、光纖通訊和量子計算中的應用。

鑭鈰鐠釹鉕釤銪，釓鋱鏑鈥鉺銩鐿鑥，是稀土的十五個主要成員，今天重點介紹老十二鉺元素和十四弟鐿元素。鉺元素和它的幾個兄弟姐妹釹、銩、鐿、鐠、鈥等元素都可以在雷射領域應用。其中鉺和鐿的應用最廣泛，題目用鉺代替，也是取耳目的諧音，與雷射呼應。下面簡單介紹一下三個方面的應用：

一、雷射武器

先說雷射武器，可以說這是未來的戰爭武器。由於雷射武器攻擊速度快，發射成本低，可以自由調節打擊效果等優勢，成為各國研發的重點。所謂攻擊速度快，相對於普通武器來說，一方面是子彈速度快，雷射以光速打擊對手，不管多快的飛彈，面對雷射都無法閃躲，只有乖乖被燒毀的命運；另一方面，是發射間隔時間短，兩次發射之間只需要0.5秒甚至更短，即使面對多發飛彈的進攻，也可以從容應對。

發射成本低，是因為雷射武器消耗的是電能，無需製造複雜的子彈。燒穿一架低空無人機，理論上只需要幾十塊錢，最多不過幾百塊人民幣。實際使用，就算花費翻個幾十倍、幾百倍，能攔截一枚20萬美元甚至更貴的美國飛彈，也是可以接受的，反正能讓對手虧到吐血。

所謂自由調節打擊效果，就是同一個發射系統既可以低功率發射使敵方人員短暫失明，也可以高功率發射把對手的飛彈、坦克、輪船等武器燒毀。因此，雷射武器也被稱為未來武器，但是眼下來說，雷射武器有一個最大的剋星——霧霾！俗話說霧霾防雷射嘛！

美國早在上個世紀就開始了雷射武器的相關研究。本世紀初，美軍對雷射武器的研發重點從傳統雷射器遷移到了光纖雷射器上，通過多年的研發，目前已經生產出了多款可以應用於實戰的光纖雷射武器。光纖雷射武器，顧名思義，其雷射發生器是光纖，光纖的主要成分是石英，但只有石英是無法產生雷射的，必須要有秘密佐料。這種秘密佐料就是我們剛剛提到的幾種稀土元素，其中鉺元素和鐿元素是應用最多的元素。摻入了鉺元素的光纖，就有了產生雷射的神奇功能，當然必須還要有能量輸入裝置，術語叫做泵浦源，再加上一個光學諧振腔就可以組成光纖雷射器了。

光纖雷射器組成的雷射武器，具有能量轉化效率高、結構質量小、散熱性能好等優點。所謂能量轉化效率高，是相對於傳統雷射器來說的，光纖雷射器能量轉化效率能達到30%以上，比傳統雷射器的效率至少高一倍。節能省電的雷射器顯然更有實戰優勢。結構質量小，意味著光纖雷射器更容易做到小型化，也就是更加便攜，適合飛機攜帶甚至是單兵作戰使用。散熱性能好，意味著雷射武器不需要額外增加複雜的冷卻裝置，簡化雷射武器結構。美國研發的8kW光纖雷射器，已經可以燒毀5千米以外的無人機，更高功率更遠射程的雷射武器也進行了多次燒毀目標的試驗，而幾百千瓦的光纖雷射武器也已經列入研究重點，將來應用於防空任務。

中國的雷射武器研究，雖然不如美俄等國行動早，也不如他們研究全面，但中國的雷射武器研發進展很快，並不比美國落後多少，甚至有些領域領先於美國。我國已經公開推出了多款可以實戰的雷射武器，比較有名的是「沉默獵手」低空戰術雷射防禦系統，已經可以達到30kW以上的發射功率了，而且是對外銷售的型號。至於未公開的和在研的雷射武器達到什麼程度，很值得國人期待！

二、光纖通信

再說說光纖通訊的事。我們現在幾乎家家戶戶都在使用寬帶網際網路，得益於光纖的使用，我們上網的速度越來越快。現在我們可以輕鬆在線觀看高清視頻，但上世紀末本世紀初，很多人經歷過打開一個網頁、觀看一個圖片都得等待十多分鐘半個小時的痛苦經歷，有時比大家用2G網絡上網還要慢。網速的不斷提升，得益於光纖網絡的迅速普及，而光纖之所以能帶來這麼強的帶寬又得益於稀土元素的使用。

光纖的主要成分是石英玻璃，我們可以簡單理解成特別厚的玻璃。對於玻璃我們都有經驗，一層玻璃透光很好，兩層玻璃也還不錯，但我們能透過十層玻璃看清對面嗎？百層呢？千層呢？光纖的長度可是遠遠超過千層玻璃的厚度的！光纖之所以能順利傳播光線，除了本身透光性很好以外，還要有稀土元素的增強效應。

光纖信號增強就像是學校教育，原始信號就像老師，有知識、有技能，但不能長生不老。增強裝置就像學校，通過招生，引進大量學生，老師把知識教給學生，學生就可以變成老師一樣的專業人士，把知識和技能發揚下去。鉺元素在光纖裡充當的就是教室的作用，老師在教室裡完成對學生的教育活動。但學生也有老的一天，如果不做好傳承，還是會把知識和技能丟掉。那就要求定期招生，不斷傳承。

光纖也是一樣，不可能做到一束光線沿著一條光纖從美國直接傳到中國，中間必須不斷加強信號。實際上，光纖每隔50公裡左右就得做一次信號增強，也就是至少每隔50公裡就要安裝一個信號增強器，專業上也叫泵浦源。這個信號增強器，簡單理解就是把電能轉變成光能的一個雷射裝置，負責給光纖招生，光纖中的稀土充當教室，原來的光信號充當老師，大家通力協作完成光信號的增強和傳承。信號增強器需要用電才能工作，所以海底光纜不僅僅是一條光纜，還要伴隨著一條電纜隨時供電。就這樣，一個網絡信號從美國發出，經過光纖傳播，每過50公裡左右增強一次，穿過太平洋，總長度三萬公裡左右，登陸後經過運營商的增強和分發，最後才來到我們的電腦或手機上。

中國光纖的產量佔據世界總產量的六成左右，隨著5G建設的開展和新基建的推動，國內光纖企業的市場份額還會越來越大。

三、量子計算

接下來說稀土鉺元素在量子計算機的應用。量子計算機，目前還處於研發階段，現在所有的量子計算機都還只是雛形，與未來真正的通用量子計算機相差還比較遙遠。量子計算機有很多種實現方式，目前在研究的也有十幾種，其中光學量子計算機是比較成熟的一種。、

光學量子計算機，中國的研究進度比較領先，著名的潘建偉團隊在這方面的工作一直比較出色，處於世界領先地位。光學量子計算機，利用光子的量子效應進行信息的存儲和計算，其中光子的產生實際上是要用雷射器的，而雷射的產生要用到含稀土元素的物質，主要是鉺或鐿。

需要說一句，其他類型的量子計算機，主要是美國比較領先，但中國也不是遠遠落後，研發進度也就是前後腳的事。其他類型量子計算機，雖然不用光子來進行計算，但是量子信息的交流與傳播依然需要靠光子，也就需要光纖，需要稀土。2018年，中國科技大學和阿里巴巴合作推出了11比特的超導量子云計算平臺，成為美國IBM公司的平臺以外，第二個面向公眾開放的超過10比特的量子云計算平臺。

可以說，我國的量子計算技術正在緊跟世界研發動態，還有自己獨到的優勢，未來前景非常可觀。同時，我國潘建偉院士發展出的量子通訊技術，世界領先，其信息傳播，也要有光纖的參與。

四、其他應用

其實，鉺元素製作的光纖雷射器，除了可以在軍事領域使用以外，在美容行業也有廣泛應用，比如消除疤痕雀斑等的雷射器，還有在牙科上也有所應用。至於雷射的應用場合，有雷射定位、測距、遙感、制導、成像、雕刻、切割、焊接等領域，實在太多，這裡就不一一列舉了。總之，鉺元素的應用場合是非常多，而且很重要的。

最後說一下，美國對中國的高科技發展不是限制就是圍堵，生怕中國超過美國。但是，在這樣的圍追堵截之下，我國的很多高科技領域還是發展起來了。尤其是雷射領域，我國不僅沒有被落下，反而發展得很好。像汽車、飛機、晶片等傳統領域，由於起步太晚，沒有參與到相關標準的制定中，也沒有在核心技術和核心專利上做到足夠的積累，後期追趕起來確實很吃力。但對於新興領域，中國的科學研究工作一直緊跟世界前沿，還有很多自己獨到的研究方向，不會輕易被西方國家甩下，而且很容易出現超過西方率先發展的實例。面對需要應用稀土的雷射領域，美國就很難對中國進行技術封鎖。未來的發展前景非常樂觀！

中國在高科技領域的發展，需要大量基礎研究的人才，像數學家、物理學家、化學家、生物學家等。這也正是國家教育部推出強基計劃的重要原因。希望我們的家長重視孩子的教育，讓孩子們都樹立遠大的科學目標，為國家之富強而學習！

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