新兴技术 -- 以超导电子学研究参与IEC工作为例

/游丽星¹李杰²

未来的信息技术对极其灵敏的勘探技术和高速、低功耗的信息处理技术提出了越来越高的要求，半导体技术已经不能满足未来信息技术发展的需要。超导电子器件和电路在灵敏度、速度和功耗方面具有独特的优势。2017年，由国际半导体技术路线图 (ITRS) 开发的国际器件和系统路线图 (IRDS) 已将超导电子学作为新兴应用技术的研究领域之一。

新兴技术

超导是一种材料是一种特殊的物理现象，在一定温度以下突然进入无电阻状态。它首先由荷兰科学家Onnes在金属1911年中引入。(Hg)。超导电子学的核心理论是英国科学家约瑟夫森1962年提出的约瑟夫森效应。在过去的100年中，有11位科学家因在超导相关领域的杰出成就而获得诺贝尔物理学奖。百年的超导研究取得了许多重要进展，发现了千余种超导材料; 对超导效应的认识也经历了从零电阻、抗磁性到磁通量量子化和约瑟夫森效应的不同阶段。基于零电阻特性、约瑟夫森效应、通量量化效应等微观理论发展起来的超导电子学是超导应用研究的主要内容之一，在应用上取得了许多突破。

超导数字电路是超导电子学的重要研究领域之一，也是集成电路技术的重要分支。超导单通量量子电路SFQ (single flux quantum) 是一种基于约瑟夫森效应和通量量化效应的低温超导集成电路。它利用皮秒脉冲实现经典逻辑位，是对半导体集成电路在器件层面的颠覆，具有极低的工作功耗和极高的速度的特点。半导体数字电路已经进入10纳米以下的节点，正在接近物理极限，而速度和功耗则成为难以突破的瓶颈。在后摩尔信息时代，超导数字电路已成为极具竞争力的颠覆性技术。

超导量子比特是量子计算研究的主要对象之一。它是以约瑟夫森结为基本载流子的量子两能级系统。超导量子比特具有与传统微电子处理平台兼容、可扩展性强等优点，是实现量子计算机最有前途的解决方案之一。Google最新宣布的量子优势 (quantum supermarity) 或量子优势 (Quantum advantage) 指的是实现超过50个超导量子位。国际上从事超导电子学研究研究已有50多年的历史。美国和日本已经有几个非常成熟和稳定的超导器件和电路生产线。美国著名的研究机构有麻省理工学院 (包括林肯国家实验室) 、NIST、JPL等，还有专门从事超导电路研发的高科技公司HYPRES。日本的主要研究机构包括AIST和NICT。此外，欧洲的许多大学和研究机构都在开发超导器件和电路，例如德国的PTB。近年来，随着量子信息技术的兴起，许多大公司纷纷加入超导量子计算的研发，包括谷歌、IBM、微软等。

目前，我国从事超导电子学研究的主要机构有中国科学院 (上海微系统与信息技术研究所、紫泉山天文台、物理研究所等) 、高校 (南京大学、北京大学、清华大学、等) 和部分行业研究所 (中国计量院、中电集团等)，在传感器、探测器研究方面积累了一定的积累，部分成果达到国际先进水平。例如，中国科学院上海微系统与信息技术研究所拥有国际先进水平的超导电子器件和电路工艺生产线。自主研制的超导单光子探测器、超导量子干涉器件和电路达到国际先进水平，实现了量子信息、地球物理探测等一批国际领先的应用示范。又如: 清华大学和中国科学院物理研究所研制的高温超导滤波器，实现了雷达和空间应用。

超导电子学的国际标准化

191989年7月年，国际电工委员会超导技术委员会 (IEC/TC90) 正式成立，以建立与超导材料和技术相关的国际标准，包括术语和定义、测量方法、材料规格、性能和设备和器件的测试规格。IEC/TC 90的国内技术对口单位是中国科学院物理研究所，具体负责全国超导标准化技术委员会 (SAC/TC265)。SAC/TC 265于2003年8月年建立。其职责分为两部分: 一是负责本领域国家标准的起草和技术审评工作; 二是组织有关专家参加IEC/tc90开展的国际标准制修订活动。SAC/TC265目前为第二任期，共有33个成员，其中11个属于超导电子领域，占总数的1/3。这些成员并非来自中国科学院物理研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、南京大学、电子科技大学、清华大学、北京大学、中国计量科学研究院等机构。

事实上，早在SAC/TC265成立之前，我国就发布了超导电子1999年领域第一个国家标准GB/T17711- 1999《钇钡铜氧化物 (123相) 超导薄膜临界温度Tc的直流电阻测试方法》。这一标准的制定由国家超导技术联合研发中心组织实施。进行了为期两年的周期比较测试，涉及4个单元。它完全是由我国建立的。许多起草者都在超导电子领域。著名专家，如北京大学教授戴远东。之后，由于标准制修订经费的限制，我国超导领域的国家标准主要采用IEC国际标准。目前，中国已经已在超导领域发布了18项国家标准，但仅3项属于超导电子领域。

自2015年起，SAC/TC265提议在全国超导研讨会上增设 "超导标准与测试技术专题"，目前研讨会已举办三届，主题不限于超导标准，但也包括超导测试方法和测试技术等一些学术课题，对超导电子的标准化工作起到了推动作用。值得欣慰的是，近年来，我国超导电子领域参与标准化工作的热情日益高涨，并应用了国家乃至国际标准的新项目建议。例如，由IEC 2018年正式批准，上海微系统与信息技术研究所牵头的第一个超导电子国际标准项目IEC61788- 22- 3: 超导条形光电探测器-暗计数率。

另一方面，中国是IEC的常任理事国，也是IEC/TC90的P会员，因此有权利和义务参与超导国际标准的制定和修订。如前所述，IEC/TC90工作组 (WG) 通常在晚上举行工作会议，在超导领域的一些国际知名学术会议上讨论与国际标准修订有关的问题。目前，我国有24位专家参加各工作组 (超导电子领域6位)，在标准体系修订工作会议上代表我国发表意见。此外，在国际标准修订过程中，SAC/TC265组织国内专家参与了四轮新项目提案 (NP) 、委员会草案 (CD) 、委员会草案表决 (CDV) 和国际标准最终草案 (FDIS) 的投票和反馈。IEC投票文件的反馈率达到100%，每次都有修改意见，尤其是对比较关键的NP和CDV文件，绝大多数意见和建议被WG接受。由于对IEC国际标准化工作的杰出贡献，近年来，SAC/TC265的三个成员分别获得了IEC1906奖2015年、2018和2019。

超导电子学仍处于从技术向工业化的转变过程中。尽管超导电子领域的商业市场还很有限，但以量子信息为代表的新兴技术的发展和产业化非常迅速。我国重大科技创新2030工程计划已将量子通信和量子计算机列为重大专项，国家级实验室建设也已部署。

超导电子技术是量子技术的杰出代表，有望在量子信息产业化进程中发挥不可或缺的作用，并可能形成更大的市场规模。以我国主导的国际标准IEC61788-22-3超导单光子探测器 (SSPD) 相关技术为例，S SPD成为一个量。子信息领域不可或缺的关键技术。以上海微系统为代表的我国科研机构在该领域的技术已达到国际先进水平，特别是在NbN(氮化铌) 材料SSPD检测效率和暗计数等指标，已处于国际领先地位。自主创新，标准先行。我国超导电子标准化工作将引领我国乃至世界超导电子技术和产业化发展，为我国建设创新型国家和世界科技强国作出贡献。

作者: 1国家超导标准化技术委员会和2018 IEC1906奖获得者;

2全国超导标准化技术委员会委员、秘书长，2019 IEC1906奖获得者。