文/尤立星 李 潔

未來(lái)的信息技術(shù)對(duì)極高靈敏度探測(cè)技術(shù)和高速、低功耗信息處理技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，因此半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)信息科技發(fā)展的需求。超導(dǎo)電子器件與電路在靈敏度、速度和功耗方面存在獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，2017年，由國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）發(fā)展而來(lái)的國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）已將超導(dǎo)電子學(xué)作為新興應(yīng)用技術(shù)的研究領(lǐng)域之一。

新興技術(shù)領(lǐng)域的超導(dǎo)電子學(xué)

超導(dǎo)是材料在特定溫度以下突然進(jìn)入無(wú)電阻狀態(tài)的一種奇特物理現(xiàn)象，最早由荷蘭科學(xué)家Onnes于1911年在金屬汞（Hg）中發(fā)現(xiàn)。超導(dǎo)電子學(xué)的核心理論是1962年英國(guó)科學(xué)家約瑟夫遜提出的約瑟夫遜效應(yīng)。近百年以來(lái)，先后有11位科學(xué)家共6次因其在超導(dǎo)相關(guān)領(lǐng)域的杰出成就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。百年超導(dǎo)研究已經(jīng)取得了很多重要的進(jìn)展，先后發(fā)現(xiàn)了逾千種超導(dǎo)材料；對(duì)超導(dǎo)效應(yīng)的認(rèn)識(shí)也經(jīng)歷了從零電阻、抗磁性到磁通量子化和約瑟夫遜量子效應(yīng)的不同階段。而基于超導(dǎo)特性、約瑟夫遜量子效應(yīng)、磁通量子化效應(yīng)等微觀理論發(fā)展起來(lái)的超導(dǎo)電子學(xué)是超導(dǎo)應(yīng)用研究的主要內(nèi)容之一，并在應(yīng)用方面已經(jīng)取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展。

超導(dǎo)數(shù)字電路是超導(dǎo)電子學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一，也是集成電路技術(shù)的重要分支，超導(dǎo)單磁通量子電路SFQ（Single Flux Quantum）是基于約瑟夫遜效應(yīng)和磁通量子化效應(yīng)的低溫超導(dǎo)集成電路。它使用皮秒級(jí)脈沖實(shí)現(xiàn)經(jīng)典邏輯位，是對(duì)半導(dǎo)體集成電路在器件層面上的顛覆，具有極低位操作功耗（10J～19J，CMOS器件典型值為10J～14J）和極高速度（最高達(dá)100GHz，CMOS器件典型值為3GHz）特點(diǎn)。半導(dǎo)體數(shù)字電路已經(jīng)進(jìn)入亞10nm節(jié)點(diǎn)，正在逼近物理極限，而速度和功耗成為難以突破的瓶頸。超導(dǎo)數(shù)字電路已經(jīng)成為后摩爾信息時(shí)代極具競(jìng)爭(zhēng)力的顛覆性技術(shù)。

超導(dǎo)量子比特是量子計(jì)算研究的主要對(duì)象之一，它是以約瑟夫遜結(jié)為基本載體的量子兩能級(jí)系統(tǒng)。超導(dǎo)量子比特具有可與傳統(tǒng)的微電子加工平臺(tái)兼容、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是最有前景的實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的方案之一。目前國(guó)際上主要的研究機(jī)構(gòu)，包括Google和IBM在內(nèi)，都在開(kāi)展超導(dǎo)量子比特研究。Google最新公布實(shí)現(xiàn)的量子稱(chēng)霸（Quantum Supremacy）或量子優(yōu)勢(shì)（Quantum Advantage），就是指實(shí)現(xiàn)了逾50個(gè)超導(dǎo)量子比特。

國(guó)際上從事超導(dǎo)電子學(xué)研究已經(jīng)有逾50年的歷史。美國(guó)和日本等已具有幾條非常成熟穩(wěn)定的超導(dǎo)器件與電路工藝線。美國(guó)著名的研究機(jī)構(gòu)包括了MIT（含林肯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）、NIST、JPL等，還有專(zhuān)門(mén)從事超導(dǎo)電路研發(fā)的高科技公司HYPRES。日本主要的研究機(jī)構(gòu)包括了AIST和NICT等。此外，歐洲也有很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在開(kāi)展超導(dǎo)器件與電路的研發(fā)，比如德國(guó)的PTB。最近幾年，隨著量子信息技術(shù)的興起，很多大公司加入到超導(dǎo)量子計(jì)算的研發(fā)行列，包括Google、IBM和Microsoft等等。

目前我國(guó)從事超導(dǎo)電子學(xué)研究的主要機(jī)構(gòu)包括中科院（上海微系統(tǒng)所、紫金山天文臺(tái)、物理所等）、高校（南京大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)等）以及一些行業(yè)研究所（中國(guó)計(jì)量科學(xué)院、中電集團(tuán)等），在傳感器和探測(cè)器研究方面已經(jīng)具有一定的積累，部分成果已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。比如中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所就有一條具有國(guó)際先進(jìn)水平的超導(dǎo)電子器件與電路工藝線，自主研發(fā)的超導(dǎo)單光子探測(cè)器件、超導(dǎo)量子干涉器件和電路等已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，并實(shí)現(xiàn)量子信息、地球物理探測(cè)等多項(xiàng)具有國(guó)際領(lǐng)先水平的應(yīng)用演示。又如：清華大學(xué)、中科院物理所等研制的高溫超導(dǎo)濾波器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)和空間應(yīng)用。

國(guó)際超導(dǎo)電子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化情況

1989年7月，國(guó)際電工委員會(huì)超導(dǎo)技術(shù)委員會(huì)（IEC/TC90）正式成立，負(fù)責(zé)建立與超導(dǎo)材料和技術(shù)相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，包括術(shù)語(yǔ)和定義、測(cè)量方法、材料規(guī)格、設(shè)備和器件的性能及檢測(cè)規(guī)范。IEC/TC90的國(guó)內(nèi)技術(shù)對(duì)口單位是中國(guó)科學(xué)院物理研究所，具體負(fù)責(zé)的是全國(guó)超導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC265）。SAC/TC265于2003年8月成立，職責(zé)分為兩部分：一是負(fù)責(zé)本領(lǐng)域國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的起草和技術(shù)審查工作；二是組織有關(guān)專(zhuān)家參與IEC/TC90開(kāi)展的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制修訂活動(dòng)。SAC/TC265目前是第二屆，委員共計(jì)33名，其中屬于超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域的有11名，占總數(shù)的1/3。這些委員來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、南京大學(xué)、電子科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)計(jì)量科學(xué)院等機(jī)構(gòu)。

實(shí)際上，早在SAC/TC265成立之前，在1999年我國(guó)就發(fā)布了超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域的第一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17711-1999《釔鋇銅氧（123相）超導(dǎo)薄膜臨界溫度Tc的直流電阻試驗(yàn)方法》。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定是由國(guó)家超導(dǎo)技術(shù)聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)中心組織實(shí)施的，進(jìn)行了由4個(gè)單位參加的為期兩年的循環(huán)比對(duì)測(cè)試，完全由我國(guó)自主建立，起草人中很多是超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域久負(fù)盛名的專(zhuān)家，比如北京大學(xué)的戴遠(yuǎn)東教授。之后，由于標(biāo)準(zhǔn)制修訂經(jīng)費(fèi)的限制，我國(guó)超導(dǎo)領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以采用IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為主。目前我國(guó)已經(jīng)發(fā)布超導(dǎo)領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)18項(xiàng)，但屬于超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域的只有3項(xiàng)。

2015年起，由SAC/TC265提議，在全國(guó)超導(dǎo)學(xué)術(shù)研討會(huì)上增設(shè)了“超導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試技術(shù)專(zhuān)題”。目前討論會(huì)已經(jīng)舉辦過(guò)三屆，主題沒(méi)有局限于超導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，還包含一些超導(dǎo)測(cè)試方法和測(cè)試技術(shù)等偏學(xué)術(shù)方面的議題，對(duì)超導(dǎo)電子學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化工作起到了一些宣貫作用。值得欣慰的是，近年來(lái)國(guó)內(nèi)超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域參與標(biāo)準(zhǔn)化工作的熱情不斷提升，已經(jīng)開(kāi)始自主申報(bào)國(guó)家乃至國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)新項(xiàng)目提案，比如《超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器-暗計(jì)數(shù)率》項(xiàng)目。

另一方面，中國(guó)是IEC常任理事國(guó)，也是IEC/TC90的P成員國(guó)，因此有參加超導(dǎo)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制修訂的權(quán)利和義務(wù)。如前所述，IEC/TC90各工作組（WG）通常在一些超導(dǎo)領(lǐng)域國(guó)際知名學(xué)術(shù)會(huì)議期間，利用傍晚的時(shí)間段召開(kāi)工作會(huì)議，討論國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制修訂相關(guān)問(wèn)題。我國(guó)目前有24名專(zhuān)家參加各個(gè)工作組（超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域6名），在標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作會(huì)上代表中國(guó)發(fā)表意見(jiàn)。此外，由SAC/TC265組織國(guó)內(nèi)專(zhuān)家參加國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制修訂過(guò)程中的新項(xiàng)目提案（NP）、委員會(huì)草案（CD）、委員會(huì)投票草案（CDV）、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)最終草案（FDIS）共4輪文件的投票和意見(jiàn)反饋，對(duì)IEC投票文件的反饋率達(dá)100%，并且每次都附有修改意見(jiàn)，特別是對(duì)比較關(guān)鍵的NP和CDV文件，絕大多數(shù)意見(jiàn)和建議被各WG所接受。由于對(duì)IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作的突出貢獻(xiàn)，近年來(lái)SAC/TC265有3名委員分別獲得2015年、2018年、2019年的IEC1906獎(jiǎng)。

總 結(jié)

超導(dǎo)電子學(xué)在極高靈敏度探測(cè)和下一代信息技術(shù)等領(lǐng)域具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件和電路無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。2017年，由國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）發(fā)展而來(lái)的國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）已將超導(dǎo)電子學(xué)作為新興應(yīng)用技術(shù)的研究領(lǐng)域之一。超導(dǎo)電子學(xué)目前還處于從技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，市場(chǎng)有限，但是新興技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速。我國(guó)如果能夠早些參與其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，將對(duì)未來(lái)在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中起到至關(guān)重要的推動(dòng)作用。

參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)是一個(gè)很好的與其他國(guó)家的專(zhuān)家進(jìn)行溝通交流的機(jī)會(huì)。多溝通，減少分歧，對(duì)于互相理解、建立互信很有幫助。這也是一個(gè)國(guó)家進(jìn)行國(guó)際交流，加入地球村的有效途徑。標(biāo)準(zhǔn)化工作是一個(gè)多邊協(xié)商機(jī)制，每個(gè)國(guó)家都是平等的，推動(dòng)全球標(biāo)準(zhǔn)化工作需要包括中國(guó)在內(nèi)的所有國(guó)家一起出力。