近期，英國物理學會（IOP）發布了報告《光子學的興起》，指出光子學對解決英國政府工業戰略中的挑戰至關重要。
這些挑戰包括人工智能、清潔增長、未來流動性、老齡化社會等。報告識別了光子學在解決這些挑戰時面臨的具體問題，提出了相應的解決方案，并建議進一步研究和投資光子學以確保英國在光子學領域的持續競爭力。
1、老齡化社會
在該領域中，光子學面臨的挑戰包括：開發基于光子學的新型醫療保健療法，便攜式和即時化學生物傳感器，健康診斷、治療和手術。相應的解決方案包括：
（1）開發能增加人體能力的修復學，如感應肌肉收縮的光傳感器，光學聚合物和生物相容性材料，人造視網膜。
（2）推進光觸發藥物釋放、光療和激光治療等使用光直接治療或幫助治療一系列病癥的新技術。
（3）開發基于光子學的新型醫療保健療法。
（4）通過在專用光纖上安裝微小的傳感器，實現即時高靈敏度的化學和生物分析。藥物藥理學和藥代動力學也可通過光子學技術來增強，使人體內藥物分子的實時行為可視化。
（5）使用不需要從身體提取樣品的體內技術進行快速、早期、非侵入性的臨床診斷和治療；更多地利用光譜測定法進行診斷，例如用紫外線照射組織產生的熒光發射可用于定位腫瘤。
（6）開發用于手術、面向靶器官、具有最小停機時間的激光器。隨著激光加速器的發展，用于癌癥治療的放射治療將更加有效，與傳統的同步加速器技術相比，設備也會小得多。
2、人工智能和數據驅動的經濟
在該領域中，光子學面臨的挑戰包括：無處不在的數據通信，物聯網，高性能處理（經典和量子）。相應的解決方案包括：
（1）開發依靠光子材料和傳感器發展的便宜的移動設備，它們可以替代銅等昂貴材料，并減少破損和功耗。
（2）自由空間光通信（使用紅外光譜）和可見光無線通信（LiFi，使用可見光譜）允許以更高的速率和非常低的誤碼率進行無線通信。
（3）物聯網加大了對帶寬的競爭，WiFi的帶寬有限，因此需要替代品。發展速度更快、更精確的通信，取決于光纖以及自由空間光通信和可見光無線通信的發展。
（4）光子傳感器在物聯網中是最重要的。從無人駕駛汽車到智能城市，這些新技術將依賴便宜、可靠、低功耗的解決方案來測量光、熱、生物計量學等。
（5）光計算開啟了深度學習的巨大能力，這將是一個需要大量處理能力（與超級計算機需要的處理能力相似）的人工智能處理。
（6）光學芯片利用光子的量子行為來完成計算，比傳統的晶體管芯片快得多，這意味著更多的計算可以在更短的時間內完成，并使人工智能技術變得更加無處不在和響應更快。
3、清潔增長
在該領域中，光子學面臨的挑戰包括：數字社會的物質基礎設施能效，推動環境可持續發展。相應的解決方案包括：
（1）通過光纖進行通信比傳統方法更節能，進一步開發可以更好地減少能量損失。
（2）開發先進的光伏材料，例如III-V族半導體，以利用來自太陽的能量，從而減少碳排放。
（3）開發聚光器技術（利用透鏡等光學技術）以用于聚焦陽光，從而減少太陽能電池板所需的表面積，使太陽能用于更廣泛的應用。
4、未來流動性
在該領域中，光子學面臨的挑戰包括：響應環境因素，互聯汽車。相應的解決方案包括：
（1）開發自主車輛所需、結合了傳感技術和多光譜/高光譜成像的多模式傳感器。雨量傳感器和太陽傳感器可使用光電二極管來檢測和響應不斷變化的條件。
（2）開發能使自動駕駛汽車生成周圍環境照片的激光探測與測量（LIDAR）系統，比雷達更準確，比在光線不足環境中的照相機更可靠。
（3）互聯汽車需要高速數據傳輸以加強導航，例如使用實時數據來避免交通擁堵。
（4）利用環境WiFi信號提高響應速度，例如尋找免費停車位。
5、食品安全
在該領域中，光子學面臨的挑戰包括：食品制造、檢驗和包裝，水衛生。相應的解決方案包括：
（1）開發用于改進印刷和制造的紫外發光二極管（UV-LED），例如使用含有光引發劑（與特定波長紫外光反應的化學品）的紫外油墨，從而實現即時固化。
（2）開發先進的成像技術和光譜分析技術，支持全球化食品供應鏈中的安全和質量保證。
（3）有效使用UV-LED來凈化水，即使用短波長（250-280納米）的強輻射來破壞水中的微生物。
（4）從使用紫外線汞燈轉為使用UV-LED，可以更好地使用水凈化系統，該方法可在發展中國家廣泛使用。
6、生產力促進
在該領域中，光子學面臨的挑戰包括：擴大制造業，提高精密制造。相應的解決方案包括：
（1）利用LED照明進行晝夜照明，以在室內環境中復制自然日光模式，這可以幫助減少錯誤并提高生產力。
（2）激光光化學的進展將允許進一步獲得新的合成化學品，并且比傳統方法浪費更少。3D打印也需要進一步開發用于加熱和精密加工的激光器。
（3）開發光鐘和原子鐘，以及光學計量和高精度光譜學，可大大減少浪費和污染。
（4）開發新一代便攜式頻率梳（如晶體光纖頻率梳），可以實現光鐘和精密測量技術。
轉引自英國物理學會官方網站
