河套 IT TALK 52：（原创）聊聊美国国防高级研究计划局正在投资的项目(三)
【太长不看】(TLDR) ：本文介绍了10个DARPA目前正在投资的项目，分别为：MACH（超音速材料）、MINT（高性能固态电池）、MuS2（μ 子束）、NaPSAC（用于传感、分析和计算的纳瓦平台）、NLM（纳米光子学）、NEAT（自杀倾向预测）、NOM4D（新型轨道和月球制造、材料和质量有效性设计）、ONISQ（带有噪声的中等规模量子设备优化）、OpTIm（高精度红外探测器）、QB（量子计算基准化）。
在本系列的第一篇我们对美国国防高级研究计划局（DARPA）做了一个简短的介绍。
DARPA的项目相当多都是公开的，由于机构运作节奏很快，所以项目也不停地启动和终结。但有一点是毫无疑问的：了解DARPA正在资助什么项目，会有助于我们了解美国科技的前沿。这个系列，我们将分大约分几期来阐述当下DARPA网络公开的正在资助的科研工程项目，让大家一窥端倪，或许能对在科技前沿的方向选择上的朋友有一定程度的启迪。
本文，我们将继续和大家介绍另外10个DARPA正在投资对项目。
注意我们对每个项目的解读也有自身知识结构的局限，如果想进一步了解更多信息，可以去公开渠道自行查询。
MACH
MACH是Materials Architectures and Characterization for Hypersonics（超音速材料架构和特性）的缩写。
MACH项目旨在为高超音速飞行系统开发新材料和制造工艺。高超音速飞行涉及5马赫或更高的速度，这会产生可能导致材料降解或失效的极端环境。
MACH 计划的重点是开发具有独特性能的新材料，这些材料可以承受高超音速飞行的极端条件，例如高温、压力和应力。可能的新材料包括：
1. 陶瓷基复合材料 (CMC)：由嵌入陶瓷基体中的陶瓷纤维制成的材料，具有高强度和耐热性。
2. 超高温陶瓷 (UHTC)：可承受高达 4000°C 温度的材料，例如碳化铪或二硼化锆。
3. 金属玻璃：具有独特原子结构的材料，具有高强度、韧性和耐腐蚀性。
4. 增材制造：使用金属、陶瓷或聚合物材料 3D 打印复杂几何形状和结构的技术。
5. 新型涂层材料：可以保护高超音速飞行器免受极热影响的材料，例如热障涂层或烧蚀材料。
为了应对高速度行驶时空气摩擦产生的高温。项目还需要探索使用被动热管理系统来解决散热问题（不能简单依赖于泵或风扇）。多孔材料也是一种选择。多孔材料可以在飞行的高温阶段吸收和储存热量，并在低温阶段释放热量。这有助于减少飞机的整体热负荷并延长其使用寿命。另一种方法涉及使用定制的表面涂层或表面纹理来增强热传递并减少车辆上热点的累积。这些涂层和纹理可以设计成在飞机周围的空气边界层中产生微尺度湍流，这将有助于更有效地散热。
关键词：超音飞行、陶瓷材料、新涂层材料、多孔材料
MINT
MINT是Morphogenic Interfaces（形态发生界面）的缩写。
MINT项目目标是创建能够长时间高效运行的高性能电化学系统。重点是解决功能材料界面发生的不可逆形态退化问题。
说电化学系统有些难理解，其实就是一种比锂电池密度更高、更高的能量密度、更快的充电时间和更长的使用寿命的高性能的固态电池。而且这个固态电池还需要有有特殊的新型合金涂层，纳米结构材料等等，以最大限度地减少固/液和固/气界面的传输（自钝化），以实现高效稳定的离子传输。这包括新型固体电解质的设计，以及电解质和电极材料之间先进界面的开发。以便这些材料可以在侵蚀性腐蚀环境中表现出更高的疲劳强度，并且可以用于材料经受恶劣条件的应用。
这些固态电池可以用在小型电子设备、电动汽车甚至军事应用提供动力。
关键词：固态电池、合金涂层
MuS2
MuS2是Muons for Science and Security（用于科学和安全的μ 子）的缩写。
其实这个题目说的很直接，只是很少人知道μ 子是啥东西。我必须多费些时间解释一下：
粒子物理学中，基本粒子已经不是我们以前学的电子、中子和质子，现代粒子物理学，基本粒子分费米子（里面又分夸克和轻子）和玻色子（包括规范玻色子和希格斯粒子）。而轻子中又分为2类，一类是带电轻子，一类是中性轻子。其中带电轻子包含：电子、μ子和τ子。它们3个都是带一个单位负电荷、自旋为1/2的基本粒子。其中电子是最为人知的轻子了，μ子要大一些，大约是电子质量的206~207倍。
与电子相比，μ子有很多优点：
- 穿透力：μ子的质量比电子大得多，这意味着它们可以在失去能量之前更深入地穿透材料。这使得 μ 子束可用于成像应用，例如 μ 子断层扫描，它们可用于对火山、考古遗址或核废料容器等致密物体的内部成像。
- 灵敏度：介子对高密度区域很敏感，例如恒星的致密核心或行星的中心，它们可用于研究天体物理现象。它们对铀和钚等重元素的存在也很敏感，这使得它们可用于检测和监测核材料。
- 相互作用特性：介子与物质具有独特的相互作用特性，这使得它们可用于研究其他粒子的特性。例如，μ 子可用于研究众所周知难以检测的中微子的特性。
但是缺点就是μ 子非常难产生出来。产生和控制具有极高能量的 μ 子束需要非常复杂和昂贵的设备。通常涉及高能粒子与目标材料的相互作用。有几种不同的方法可以产生 μ 子束，但一种常见的方法包括以下步骤：
- 质子或其他高能粒子的加速：μ子束通常是通过高能质子与目标材料的碰撞产生的。为了产生质子，使用加速器将其能量增加到所需水平。
- 介子的产生：当高能质子与目标材料碰撞时，它们可以产生包括介子在内的多种粒子。介子是寿命短的粒子，会衰变为 μ 子和其他粒子。
- μ 子的收集和衰变：碰撞中产生的介子通常被收集起来并衰变成μ 子。可以使用磁场收集 μ 子，将它们引导到光束线中。
- μ 子的聚焦和准直：一旦产生并收集了 μ 子，就必须将它们聚焦并准直成可用于实验或其他应用的光束。这通常是使用一系列塑造和控制 μ 子束的磁铁和准直器来完成的。
总体而言，μ子束的生产是一个复杂且具有挑战性的过程，需要先进的加速器和检测器技术，以及粒子物理学和束线设计方面的专业知识。
该计划将研究具有 10 至 100 吉电子伏特 (GeV) 能量的定向 μ 子束的产生，并产生 10^6至 10^8个μ子，同时为可运输系统的实用设计指明一条清晰的路径。
关键词：μ子
NaPSAC
NaPSAC是NanoWatt Platforms for Sensing, Analysis and Computation（用于传感、分析和计算的纳瓦平台）的缩写。
纳瓦是一种功率单位，等于十亿分之一 (1/1,000,000,000) 瓦。它是一个非常小的功率单位，通常用于超低功率传感器（比如：纳米光子阵列和纳米机电阵列）的低功率应用。
纳米光子阵列是指设计用于在纳米尺度上操纵和控制光流的纳米结构阵列。这些阵列通常包含亚波长尺寸的特征，可用于产生各种光学效果，例如光的聚焦、衍射和反射。纳米光子阵列用于各种应用，包括光通信、成像和传感。
纳米机电阵列是在纳米级制造的微型机械设备阵列。这些设备通常由微小的悬臂梁或横梁组成，设计用于响应电信号或磁信号移动。纳米机电阵列用于各种应用，包括传感、驱动和数据存储。
在纳米维度上设计部件，需要考虑复杂的微观建模和仿真能力，很多宏观不存在的因素，在微观尺度都会被放大，甚至仅仅在微观尺度才会出现，比如：湍流、等离子体动力学、异质材料中的热传输等等。例如，在湍流的情况下，单个分子或粒子之间可能存在相互作用，以及流体流动和结构之间存在更大规模的相互作用。同样，在材料科学中，研究人员可能需要在原子或分子尺度以及涉及多种材料相互作用的更大尺度上对材料的行为进行建模。
NanoWatt 平台是一种高性能计算 (HPC) 系统，由国防高级研究计划局 (DARPA) 开发。这些平台旨在为研究人员提供他们所需的计算能力、工具和专用软件包，包括高性能计算资源，以模拟和模拟跨多个领域的复杂多尺度问题，包括流体动力学、等离子体物理学和材料科学。
关键词：纳瓦平台、纳米光子阵列、纳米机电阵列、微观建模和仿真
NLM
NLM是Nascent Light-Matter Interactions（新生光物质相互作用）的缩写。
本项目谈到的光与物质的相互作用，并不是在宏观世界，而是纳米尺度上的结构化材料以独特且有用的方式操纵光的能力。
这些材料，通过特殊化的图形化结构，例如：光栅和光子晶体，由纳米结构的周期性排列组成，这些纳米结构可以以特定方式衍射或散射光。这些结构可用于控制光传播的方向和强度，从而在光学滤波器、传感器和波导中得到应用。
这些材料，还可以是等离子体纳米粒子和超表面，由于它们在特定频率下的共振行为而与光强烈相互作用。可以将入射光耦合到等离子体共振，从而产生可用于传感、光谱学和光热疗法的强近场电磁场。超表面是平面结构，可以操纵光的振幅、相位和偏振，从而在成像、全息术和偏振光学中得到应用。
图案化和共振结构的结合可以导致更复杂和强大的光物质相互作用。例如，等离子体纳米孔阵列既可以作为图案化结构，也可以作为共振结构，从而能够在亚波长范围内控制光，用于生物传感和表面增强光谱学中的应用。
总的来说，光物质与图案化和共振结构相互作用的研究是一个快速发展的研究领域，在传感、成像、通信和能量转换等领域具有许多潜在应用。
本项目将研究如何利用这些相互作用来开发能够检测极少量化学物质或生物制剂的先进传感器，以及新型节能计算技术。项目汇集了来自不同科学学科（包括物理、化学、材料科学和工程学）的专家，以开发在纳米尺度上控制和操纵光和物质的新方法。这涉及开发可以以新颖方式与光相互作用的新材料，以及开发用于整形和控制光束的新技术。
我理解本项目属于纳米光子学，在微观尺度上探索光与物质的相互作用来为科学和技术开启新的机遇。
关键词：纳米级、超材料、纳米光子学、光物质耦合
NEAT
NEAT是Neural Evidence Aggregation Tool（神经证据聚合工具）的缩写。
自 2001 年 9 月 11 日以来，美军现役和退伍军人有超过3万人自杀，这个数字是同样的周期在军事行动中丧生的士兵人数的4倍。这其中的主要原因包括：1. 经历战争之后的创伤后应激障碍 (PTSD)；2. 退伍军人可能会经历社会孤立，或者感到与家人、朋友或社区脱节。这会增加绝望感并增加自杀风险。3. 由于军人的自尊心，产生围绕心理健康的耻辱感，一些士兵和退伍军人可能会犹豫是否寻求精神健康状况或自杀念头的帮助。
由于自杀士兵人数太多，对美军国防部而言，急需一种工具，能识别和帮助处于自杀风险中的士兵。传统的检测行为和心理健康风险因素早期迹象的方法依赖于自我报告和筛查问卷，无法可靠地预测自杀倾向。
NEAT项目旨在通过开发一种新的认知科学工具来克服当前的局限性，它使用人工智能和机器学习算法来处理和集成来自多个来源的信息，例如文本、图像和视频等。这些信息可能来源于社交媒体平台，可能是CCTV，也可能是更为广泛的信息源。但工具可以聚合和处理来自多个来源的信息用于比以往任何时候更早、更可靠地检测抑郁、焦虑或自杀意念的迹象。从而实现更早的干预和更可靠的成功治疗措施。
关键词：创伤后应激障碍、机器学习、证据聚合
NOM4D
NOM4D是Novel Orbital and Moon Manufacturing, Materials, and Mass-efficient Design（新型轨道和月球制造、材料和质量有效性设计）的缩写。
NASA原计划在2014年向月球上送人类以建造月球基地，所以DARPA也有对应的项目来考虑月球基地建设的很多关键挑战。NOM4D里面包含了太空探索和发展的新纪元很多宏大的设想：
新型轨道和月球制造，这里面提到的不仅仅是在外太空制造空间站和月球基地，而是考虑制造业在外太空的执行。太空或者月球制造也有相应的优势：重力降低、大气阻力降低以及获得丰富的太阳能。这些优势可以提高商品和材料的生产效率和成本效益，特别是对于空间基础设施、通信系统和空间探索等应用。
太空制造也需要考虑一些特殊材料和技术，比如：（1）高级复合材料，例如，将碳纤维与环氧树脂结合可以制造出一种重量轻、强度高、抗疲劳、更能承受太空极端温度和辐射的复合材料。（2）超材料可以设计为具有负折射率，这允许它们以不寻常的方式弯曲光线。（3）智能材料形状记忆合金可以根据温度变化改变形状。（4）纳米材料可以表现出大型材料所没有的独特特性。例如，碳纳米管异常坚固且重量轻。
太空中的3D打印技术、机器人技术和其他适合外太空的制造工艺。
质量有效性设计：考虑到空间环境的独特挑战和局限性。每个发射到太空的物体都需要大量燃料，这增加了太空任务的成本和复杂性。质量有效性设计可能涉及创建更轻、更紧凑的结构，例如，通过使用轻质材料、减小组件尺寸或将回收和可重用性特征纳入设计，可以减少系统或结构的整体质量。使用运输所需能量更少的材料，用更少的燃料发射相同数量的有效载荷。或开发更自给自足且需要更少维护的系统。
关键词：新型轨道和月球制造、高级复合材料、超材料、智能材料、纳米材料、质量有效性设计
ONISQ
ONISQ是Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum devices（带有噪声的中等规模量子设备优化）的缩写。
尽管量子计算最近几年突飞猛进地发展，但是由于量子比特叠加态的脆弱性，使得量子比特对环境非常敏感，任何环境干扰都会导致其失去量子特性并坍缩成经典状态（退相干），也就是会将噪声引入到量子计算。尽管科学家已经在通过纠错码、低温冷却和其他错误缓解技术在降低噪声水平，但现实情况是，目前普遍的量子计算机的门错误率都在0.1%和1%的范围内。哪怕是迄今为止最为先进和最大的量子计算机。
本项目旨在在实现完全容错的量子计算机之前，通过将量子设备与经典系统相结合的方式，通过组合优化来避免量子计算的噪声问题。比如，通过经典系统来比较和分析量子算法的性能、开发和测试算法、基准性能以及开发纠错和缓解技术。也可以通过经典系统用于执行生成候选解决方案、评估这些解决方案的质量以及引导量子搜索找到更好解决方案等任务。经典算法还可用于分析和比较不同量子算法的性能，并估计解决特定问题实例所需的资源。
本项目将开发可扩展到数百或数千个量子位的量子系统，具有更长的相干时间和改进的噪声控制。在嘈杂的中等规模量子设备上有效地实施量子优化算法，优化量子和经典资源的分配。基准测试也将成为该计划的一部分，研究人员将对经典方法和量子方法进行定量比较。此外，该计划还将确定组合优化中的问题类别，其中量子信息处理可能会产生最大的影响。它还将寻求开发方法，通过问题分解等技术将有限尺寸处理器上的量子优势扩展到大型组合优化问题。
总体而言，这些技术的组合可能是实现某些量子应用所需的高精度和可靠性所必需的。正在进行研究以开发和优化这些技术，以及改进量子计算中使用的硬件和软件。
关键词：量子计算、量子噪声、组合优化
OpTIm
OpTIm是Optomechanical Thermal Imaging（光机械热成像）的缩写。
红外 (IR) 探测器支撑着广阔的应用空间，包括夜视、战场监视、地面和空间成像、生化指纹识别和非侵入式医疗诊断。
当前的红外探测器属于两类之一——将红外辐射检测为热量的热传感器，以及将红外辐射转换为电流的光电探测器。虽然前一类传感器可以在室温下工作，但它们的灵敏度和响应时间非常有限。相比之下，虽然 IR 光电探测器具有量子限制的灵敏度，但它们需要低温冷却，这限制了它们的广泛使用。
OpTIm 计划旨在开发集成的、室温和量子限制的红外探测器，以弥合当前低性能、低灵敏度、低分辨率的缺点。
OpTIm 聚焦于开发、验证和基准测试一类新型室温红外探测器，该探测器结合了光机械灵敏度（器件将温度变化转化为机械运动的能力，开发对温度变化高度敏感的设备，然后可用于创建高分辨率热图像。）、量子限制全光读出（开发仅受量子噪声限制而不是其他噪声源限制的读出方法。术语“全光”意味着读出方法使用光来测量设备的机械运动，而不是其他类型的信号。）和动态可调窄带或多光谱探测能力（使用窄带滤波器或通过同时感测多个光谱带来检测特定频带中的热辐射的能力。通过动态调整检测能力，可根据不同类型的物体或材料的热特性对其进行选择性成像。）。
OpTIm 还旨在确定这种新的红外检测方式的基本性能限制。
关键词：红外探测器、量子限制、光机械灵敏度、光机械热成像
QB
QB是Quantum Benchmarking（量子基准测试）的缩写。
当今时代，量子计算机正在突飞猛进的速度发展，比如我国的九章量子计算机已经实现了量子霸权。未来数十年内，量子计算将彻底颠覆很多科技和工程领域。包括但不限于机器学习、量子化学、材料发现、分子模拟、多体物理学、分类、非线性动力学、供应链优化、药物发现、电池催化、基因组分析、流体动力学和蛋白质结构预测：
制药：用于模拟和优化分子和材料的行为，这对于开发新药物和新材料至关重要。量子计算还可以帮助加快药物发现过程，这通常需要多年时间并耗资数十亿美元。
金融：用于改善风险管理、优化投资组合和加速金融建模。量子计算还有助于提高金融交易的安全性，例如涉及密码学的交易。
物流和运输：用于优化复杂的物流和运输网络，例如航空公司和航运公司使用的网络。这有助于降低成本、提高效率并最大程度地减少这些操作对环境的影响。
能源：用于优化可再生能源系统的设计和运行，例如风力涡轮机和太阳能电池板。这有助于提高这些系统的效率和可靠性，并降低能源生产成本。
材料科学：用于模拟和设计具有所需特性的新材料，例如高强度、低重量或优异的导电性。这可能会导致新材料的开发，用于从航空航天到电子等广泛的行业。
气象学：用于天气精准预测和气候变化临界点建模等。
对于上面列出的每个领域，尚不清楚量子计算机的具体尺寸、质量和配置（如果有的话）将实现假设的革命性进步。量子基准测试计划将通过创建新的基准来评估量子计算机的长期效用，这些基准可以定量衡量特定的、变革性的计算挑战的进展情况。同时，该程序将估计实现不同级别基准性能所需的特定硬件资源。说白一点，就是针对量子计算要定标准，定规则了。
项目中可能包含的一些测试指标是：
量子体积：衡量可在特定量子计算平台上运行的量子电路的大小和复杂性。
门保真度：衡量量子计算平台中使用的量子门的准确性。
错误率：衡量量子计算过程中错误发生率的指标。
相干时间：衡量量子计算平台中量子态保持相干的时间。
读出保真度：衡量用于从量子计算平台提取信息的测量过程的准确性。
特定于算法的性能指标：旨在评估特定量子算法在量子计算平台上的性能的测试。
特定于硬件的性能指标：旨在评估特定量子计算平台性能的测试。
总体而言，该项目的目标是创建一套全面的测试指标，可用于对标量子计算平台的性能，加速实用量子计算应用的开发。
关键词：量子基准测试、量子计算标准化
未完待续…
附：DARPA简介
DARPA，全称Defense Advanced Research Projects Agency，也就是美国国防高级研究计划局。从历史起源来看，DARPA是典型美苏冷战的产物。苏联在1957年率先发射了人类第一颗人造卫星Sputnik 1，正式开启了太空时代。为了和苏联撸起袖子展开竞争，当时的总统艾森豪威尔在1958年2月7日，联合学术界、工业界和军方创建了DARPA。承诺从那时起，美国将成为战略技术意外的发起者，而不是受害者角色。DARPA 一直不辱使命，坚持一项独特而持久的使命：对美国国家安全的突破性技术进行关键投资。DARPA属于典型的军民融合机构，所以在DARPA成立的50多年来，投资的项目无数，而且相当多的项目都超出了军方的需求。比如我们现在熟知的ARPANET（互联网等等前身）、GPS、自动语音识别和我们前几期提到的波士顿动力的多足机器人都是DARPA投资的杰作。其实远不限于此，现代科技的任何一个角落，几乎都有DARPA的影子。《经济学人》称 DARPA 是“塑造了现代世界”的机构。
更详细介绍请参见：聊聊美国国防高级研究计划局正在投资的项目(一)