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        趨勢觀察:超導量子干涉器件相關研究發展態勢與啟示

        發布時間:2022-12-02 17:42:16  |  來源:中國網·中國發展門戶網  |  作者:  |  責任編輯:王振紅

        中國網/中國發展門戶網訊  超導量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是指由?1?個或?2?個約瑟夫森結(Josephson junction)和超導體組成的閉合環路構成的器件,主要融合了約瑟夫森隧道效應和磁通量子化原理制作而成的高精度磁傳感器。

        目前,量子科技發展已經成為我國未來在高技術領域發展的重要內容;作為其中重要技術之一,SQUID與應用系統技術突破將是未來我國高技術發展的重點領域;全面梳理?SQUID研究方向與態勢將為我國未來在相關領域的發展設計提供有力支撐。

        超導量子干涉器件相關研究發展態勢

        SQUID具有4個特點:①接近量子極限的磁探測靈敏度,可以探測低至?10—15 T·Hz1/2的磁場信號;②很寬的頻響特性,超導體對磁場而非磁場變化率產生響應,因而可以探測直流到?GHz的信號,通常測試系統的頻響受讀出電路的限制,一般可達?10—100?MHz量級;③很大的動態范圍,動態范圍很容易達到?130 dB水平,磁信號幅度變化?6—7個量級不會影響系統的工作穩定性;④很高的線性響應特性。20世紀?60年代出現以來,其相關研究一直在不斷地持續開展。2012—2021年,該領域科學引文索引(SCI)與科技會議錄索引(CPCI)數據庫收錄的?5?106篇核心論文顯示,美國、德國、中國、日本、印度、法國、英國、俄羅斯、意大利等多個國家在此領域的研究非?;钴S。作為最靈敏的磁探測器件之一,SQUID在眾多領域的應用研究已經取得顯著進步,發揮著難以替代的作用。

        作為科學儀器,SQUID廣泛應用于基礎科學研究

        基于?SQUID的低溫射頻放大器可具有接近量子極限的噪聲水平,在諸如暗物質探測等基礎科學領域中扮演著重要的角色。美國、德國、加拿大、法國、瑞典、意大利等國家均涉足此領域。例如,美國國家航空航天局執行的“GP-B?計劃”,利用?SQUID等技術檢驗廣義相對論,測量地球引起的空間畸變和引力拖拽效應等;瑞典查爾姆斯理工大學的科學家利用基于?SQUID制作的實驗設備,在真空中捕獲到不斷出現和消失的光子,成功將虛擬光子轉變成真實光子,制成了可測量的光,首次觀測到被預言的動力學卡西米爾效應;2021年,美國斯坦福大學與普林斯頓大學等合作利用微波復用?SQUID深入搜索由膨脹引力波產生的宇宙微波背景輻射的?B模偏振;美國國家標準技術研究所和科羅拉多大學波德分校的研究人員開發了一種基于?SQUID?陣列的裝置,可為許多應用提供具有越低能量的超低噪音檢測,并進一步用于探索宇宙大爆炸的奧秘。

        在科學實驗室中,德國耶拿大學關于重力實驗和相對性原理的研究將?SQUID作為超高靈敏度的位置檢測器。掃描?SQUID?顯微鏡是結合?SQUID和掃描探針技術發展起來的高靈敏度微區磁信號探測儀器,已經應用于基礎科學、納米材料科學和分子生物技術等研究領域,可有效檢測集成電路芯片缺陷等。

        民用方面,SQUID?應用于無損檢測、地球資源探測及醫療領域

        SQUID?測試技術與常規感應線圈法相比,在低頻段具有明顯的技術優勢,并且具有空間分辨率高、可檢測材料大深度缺陷和更細小缺陷、靈敏度更高等優點?;诟邷爻瑢w的?SQUID在液氮下工作,整套裝置更加輕巧、便攜,可用于多種常規手段不易使用的場合,如檢測飛機輪轂結構缺陷、藥品中微小磁性顆粒。在無損檢測時,為在干擾嚴重的環境中應用高溫?SQUID磁強計,常將?SQUID做成磁梯度計來使用——它們在航空航天領域最常見的用途是用于維護航空和航天器部件的無損檢測。

        SQUID?應用于地球資源探測已有超過?30年的歷史,主要集中在礦產勘查、油氣構造勘探等方面。我國未探明的礦產資源基本分布在深部礦或者隱伏礦中,而高靈敏度的?SQUID磁探測系統對深層地質構造的磁探測能力獨特,遠強于傳統感應線圈式探頭,可在探尋深層資源方面發揮重要作用。近年來,國內相關單位也加強了相關方面的研究布局,在器件制備、系統集成和實地應用研究方面都取得了顯著進展。中國科學院上海微系統與信息技術研究所成功研制出國際第?2套航空低溫超導全張量磁梯度測量系統,并進行了多次野外飛行測量,得到了航空超導全張量磁梯度分布圖。

        另外,由于?SQUID以其極高的靈敏度在探測微弱的生物磁信號方面具有巨大的技術優勢,腦磁圖儀、心磁圖儀、胎兒心磁圖儀等基于?SQUID的醫療設備相繼研發并得到應用。鑒于?SQUID的技術優勢,發展并提高?SQUID磁強計在生物磁測方面的應用研究,是世界學術界和工業界的研究熱點方向。近年來,美國、德國、日本和中國在此領域研究多有布局,主要集中于腦磁圖、心磁圖等相關領域的系統研發與臨床應用。

        國防方面,SQUID?廣泛應用于航空探潛反潛、未爆物探測、低頻電磁波通信等領域

        SQUID能探測水下潛艇,其中高溫超導體制成的?SQUID,可在液氮溫度(77 K)下工作,可以測量幾十?fT的磁場;并且,由于其體積小,可構成陣列,能準確地確定潛艇的位置、深度、運動軌跡和航向。除此之外,SQUID具有大帶寬并且是矢量測量,因此是目前理想的航空反潛磁力儀。SQUID可在數公里外捕捉到水中物體對地球磁場最微弱的干擾變化,其獲取的信號通過海底光纖傳入岸上的超高速信息處理中心,從而讓反潛專家鎖定敵方水下來襲平臺的準確位置。由于?SQUID具有較強的反潛探測技術優勢,目前在反潛磁異常探測技術領域活躍的美國、德國、加拿大、澳大利亞、日本、英國等國家和地區十分重視其應用研發。

        此外,針對戰后大量戰爭遺留未爆物,可利用SQUID開展未爆物檢測,屬于磁法探測的范疇——其在弱磁檢測領域具有巨大技術優勢,可提供更高的靈敏度和矢量能力,比傳統的磁場張量系統有更好的檢測能力。目前,國內外相關專家已成功開展了相關實驗研究,包括地下核爆武器探測、陸基淺埋未爆物探測、水雷檢測(艦艇防護),以及水下移動平臺未爆物探測。

        低頻電磁波對有耗介質(如巖石、土壤和海水等)有很大的穿透深度,是地下、水下和樓宇間建立無線通信的電磁媒介。低頻電磁波技術的一個重要基礎就是高靈敏度檢測,SQUID的優異性能在無線電頻譜低頻端具有極好的綜合性能,在無線電頻譜低端的開發和應用研究上具有很高的技術價值和發展潛力?。目前,基于?SQUID的低頻無線電技術的應用開發仍然屬于進展緩慢的技術領域,真正在無線電通信領域采用?SQUID技術的成功應用并不多見。例如,盡管美國海軍實驗室很早已制作了低溫?SQUID甚低頻天線,但目前仍在潛艇中進行實驗驗證。

        SQUID?相關技術應用于量子計算等前沿新興科學領域

        量子計算機采用量子比特作為其基本單元,超導量子計算被視為最有可能實現通用容錯量子計算機的體系之一,在近十幾年內迅猛發展。采用超導約瑟夫森結實現的超導量子比特以其在可控性、低損耗及可擴展性等方面的優勢被認為是最有希望實現量子計算機的固態方式之一。SQUID可用于構建超導量子比特,也可用于超導量子比特的低噪聲讀出,還可做成高靈敏度的單光子水平微波信號放大器來探測量子比特態的信息。超導量子比特和諧振腔構成的耦合系統,即腔量子電動力學系統,已成為超導量子計算研究的基本單元,并且超導多能級與諧振腔耦合的體系也是當前的研究熱點之一。2021年中國科學院量子信息重點實驗室通過制備千?Ω?級高阻抗?SQUID在微波諧振腔—半導體量子芯片耦合研究中取得重要進展,探測到半導體量子點受微波驅動調制的干涉新現象?。而在量子退火架構中,射頻?SQUID(rf SQUID)磁通量量子位被廣泛使用,例如商業平臺?D-Wave?計算,rf SQUID通量量子比特表現出高重現性、長相干時間和中等水平的非諧性。

        基于雙軌排列的負電感超導量子干涉器(nSQUID)這類新型量子比特的研究在耦合器件的量子態傳輸速度和基礎物理問題的研究上有著很大的優越性。中國科學院物理研究所、清華大學等成功完成了?nSQUID?這類新型量子比特(包括位相量子比特)的制備和器件量子相干性的測量,發展出了一套成熟的超導量子比特制備的多層膜工藝,填補了國內在這一研究領域的空白。

        高速超導存儲器是發展超導高性能計算技術的核心器件之一。中國科學院上海微系統與信息技術研究所在?2020年提出了一種新型三維納米?SQUID超導存儲器件可以從原理上突破超導存儲器的集成度瓶頸??。

        我國量子科技相關政策與趨勢

        量子科技發展一直是我國高度重視的高技術領域,超導量子干涉器件相關技術作為量子科技的重要部分,一直備受關注。我國自?2006年就開始布局量子科技產業發展,多年來已經發布多項政策規劃支持指導量子科技高速發展(表?1)。

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        通過梳理我國量子技術相關的政策規劃,其主要存在以下?3?個方面的趨勢。

        對于量子科技的頂層設計越來越頻繁。近年來,國家對量子計算技術、量子精準測量技術等關鍵技術的研發與產業布局越來越重視。2018?年以來,國家出臺多項政策推進量子技術發展,形成從領域頂層設計到整體學科布局的全面性頂層規劃。

        量子科技相關政策規劃層級越來越高。量子科技越來越得到國家重視,量子計算、量子通信、量子檢測等一批關鍵技術在規劃中不斷提出,國家先后組織召開專題會進行學習、研討、布局。

        量子科技規劃的體系化程度越來越高。早期規劃主要集中在單一科技規劃中,近年來更多地涉及社會發展、金融創新、區域整合等各個方面,突出顯示量子科技在社會生產活動中的重要作用。

        我國發展?SQUID?相關技術的建議

        SQUID技術是我國推進高精尖儀器研發,打破國外壟斷的重要技術領域之一。為進一步促進我國在該領域突破一些關鍵技術,加強應用場景的建設,提升應用范圍與水平,提出?5個方面的建議。

        建立國家超導電子學工程應用中心或中國科學院超導量子干涉器件工程應用中心。根據?SQUID在軍用、民用等不同應用場景,①發現、拓展并構建超導量子干涉器件在我國國民經濟中的應用場景,開展場景研究與分析;②以應用場景為導向,解決突破關鍵技術封鎖與應用的技術問題,聯合社會力量,開展技術攻關;③強化體制機制建設,構建社會、政府、科研共同參與,政府指導、社會支撐、科研機構實施的面向國家任務的靈活管理與經濟分配機制。

        加強?SQUID?關鍵技術研發。不斷改進SQUID?設計、采用并開發新型超導材料和小型化支撐技術,以促使?SQUID在未來得到更廣泛和成熟的應用。低溫?SQUID所需的低溫環境及產生的巨大運營成本是限制其應用推廣的一個重要因素,采用高溫超導材料制備的器件可以在很大程度上減少這種限制的影響。因此,不斷改進高溫?SQUID制備技術,提升器件性能及一致性是未來?SQUID?應用的關鍵之一。

        進一步拓展深化?SQUID?應用場景。SQUID技術的發展也依賴于新的創新應用的開發。例如,腦科學研究越來越受到重視,基于?SQUID的腦磁圖測量有可能發揮更大的作用。量子計算的熱潮也促進和拓展了?SQUID器件的應用,建議進一步深化?SQUID在量子計算、超導高性能計算等前沿新興領域中的技術應用。

        建立依托中國科學院的全國重點實驗室,聚集科研力量。匯聚中國科學院相關領域人才,以全國重點實驗室重組為契機,將相關?SQUID的研發納入新全國重點實驗室的重要研發方向;依托國家量子研發在北京、上海、深圳、合肥等地的布局,將中國科學院相關力量向長三角整合。

        以?SQUID?高端平臺建設為契機,探索建立中國科學院圍繞關鍵技術研發與市場整合的新機制。進一步凝聚高校、研究所、企業等的力量,探索構建新的市場技術研發、利益分配、人才交流等機制,構建符合國家發展需要的“高、精、尖”產業技術研發模式和生態發展格局。(《中國科學院院刊》供稿)

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