中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊  超導(dǎo)量子干涉器件（superconducting quantum interference device，SQUID）是指由?1?個(gè)或?2?個(gè)約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）和超導(dǎo)體組成的閉合環(huán)路構(gòu)成的器件，主要融合了約瑟夫森隧道效應(yīng)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(fā)展已經(jīng)成為我國未來在高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重要內(nèi)容；作為其中重要技術(shù)之一，SQUID與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)突破將是未來我國高技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域；全面梳理?SQUID研究方向與態(tài)勢(shì)將為我國未來在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展設(shè)計(jì)提供有力支撐。

超導(dǎo)量子干涉器件相關(guān)研究發(fā)展態(tài)勢(shì)

SQUID具有4個(gè)特點(diǎn)：①接近量子極限的磁探測(cè)靈敏度，可以探測(cè)低至?10—15 T·Hz^－1/2的磁場(chǎng)信號(hào)；②很寬的頻響特性，超導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)而非磁場(chǎng)變化率產(chǎn)生響應(yīng)，因而可以探測(cè)直流到?GHz的信號(hào)，通常測(cè)試系統(tǒng)的頻響受讀出電路的限制，一般可達(dá)?10—100?MHz量級(jí)；③很大的動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍很容易達(dá)到?130 dB水平，磁信號(hào)幅度變化?6—7個(gè)量級(jí)不會(huì)影響系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性；④很高的線性響應(yīng)特性。20世紀(jì)?60年代出現(xiàn)以來，其相關(guān)研究一直在不斷地持續(xù)開展。2012—2021年，該領(lǐng)域科學(xué)引文索引（SCI）與科技會(huì)議錄索引（CPCI）數(shù)據(jù)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(gè)國家在此領(lǐng)域的研究非常活躍。作為最靈敏的磁探測(cè)器件之一，SQUID在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)取得顯著進(jìn)步，發(fā)揮著難以替代的作用。

作為科學(xué)儀器，SQUID廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)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(zhì)探測(cè)等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)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(lǐng)域。例如，美國國家航空航天局執(zhí)行的“GP-B?計(jì)劃”，利用?SQUID等技術(shù)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論，測(cè)量地球引起的空間畸變和引力拖拽效應(yīng)等；瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的科學(xué)家利用基于?SQUID制作的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在真空中捕獲到不斷出現(xiàn)和消失的光子，成功將虛擬光子轉(zhuǎn)變成真實(shí)光子，制成了可測(cè)量的光，首次觀測(cè)到被預(yù)言的動(dòng)力學(xué)卡西米爾效應(yīng)；2021年，美國斯坦福大學(xué)與普林斯頓大學(xué)等合作利用微波復(fù)用?SQUID深入搜索由膨脹引力波產(chǎn)生的宇宙微波背景輻射的?B模偏振；美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和科羅拉多大學(xué)波德分校的研究人員開發(fā)了一種基于?SQUID?陣列的裝置，可為許多應(yīng)用提供具有越低能量的超低噪音檢測(cè)，并進(jìn)一步用于探索宇宙大爆炸的奧秘。

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，德國耶拿大學(xué)關(guān)于重力實(shí)驗(yàn)和相對(duì)性原理的研究將?SQUID作為超高靈敏度的位置檢測(cè)器。掃描?SQUID?顯微鏡是結(jié)合?SQUID和掃描探針技術(shù)發(fā)展起來的高靈敏度微區(qū)磁信號(hào)探測(cè)儀器，已經(jīng)應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)、納米材料科學(xué)和分子生物技術(shù)等研究領(lǐng)域，可有效檢測(cè)集成電路芯片缺陷等。

民用方面，SQUID?應(yīng)用于無損檢測(cè)、地球資源探測(cè)及醫(yī)療領(lǐng)域

SQUID?測(cè)試技術(shù)與常規(guī)感應(yīng)線圈法相比，在低頻段具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并且具有空間分辨率高、可檢測(cè)材料大深度缺陷和更細(xì)小缺陷、靈敏度更高等優(yōu)點(diǎn)。基于高溫超導(dǎo)體的?SQUID在液氮下工作，整套裝置更加輕巧、便攜，可用于多種常規(guī)手段不易使用的場(chǎng)合，如檢測(cè)飛機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)缺陷、藥品中微小磁性顆粒。在無損檢測(cè)時(shí)，為在干擾嚴(yán)重的環(huán)境中應(yīng)用高溫?SQUID磁強(qiáng)計(jì)，常將?SQUID做成磁梯度計(jì)來使用——它們?cè)诤娇蘸教祛I(lǐng)域最常見的用途是用于維護(hù)航空和航天器部件的無損檢測(cè)。

SQUID?應(yīng)用于地球資源探測(cè)已有超過?30年的歷史，主要集中在礦產(chǎn)勘查、油氣構(gòu)造勘探等方面。我國未探明的礦產(chǎn)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(cè)系統(tǒng)對(duì)深層地質(zhì)構(gòu)造的磁探測(cè)能力獨(dú)特，遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)感應(yīng)線圈式探頭，可在探尋深層資源方面發(fā)揮重要作用。近年來，國內(nèi)相關(guān)單位也加強(qiáng)了相關(guān)方面的研究布局，在器件制備、系統(tǒng)集成和實(shí)地應(yīng)用研究方面都取得了顯著進(jìn)展。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所成功研制出國際第?2套航空低溫超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行了多次野外飛行測(cè)量，得到了航空超導(dǎo)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(cè)微弱的生物磁信號(hào)方面具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，腦磁圖儀、心磁圖儀、胎兒心磁圖儀等基于?SQUID的醫(yī)療設(shè)備相繼研發(fā)并得到應(yīng)用。鑒于?SQUID的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展并提高?SQUID磁強(qiáng)計(jì)在生物磁測(cè)方面的應(yīng)用研究，是世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)方向。近年來，美國、德國、日本和中國在此領(lǐng)域研究多有布局，主要集中于腦磁圖、心磁圖等相關(guān)領(lǐng)域的系統(tǒng)研發(fā)與臨床應(yīng)用。

國防方面，SQUID?廣泛應(yīng)用于航空探潛反潛、未爆物探測(cè)、低頻電磁波通信等領(lǐng)域

SQUID能探測(cè)水下潛艇，其中高溫超導(dǎo)體制成的?SQUID，可在液氮溫度（77 K）下工作，可以測(cè)量幾十?fT的磁場(chǎng)；并且，由于其體積小，可構(gòu)成陣列，能準(zhǔn)確地確定潛艇的位置、深度、運(yùn)動(dòng)軌跡和航向。除此之外，SQUID具有大帶寬并且是矢量測(cè)量，因此是目前理想的航空反潛磁力儀。SQUID可在數(shù)公里外捕捉到水中物體對(duì)地球磁場(chǎng)最微弱的干擾變化，其獲取的信號(hào)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(tái)的準(zhǔn)確位置。由于?SQUID具有較強(qiáng)的反潛探測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前在反潛磁異常探測(cè)技術(shù)領(lǐng)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(qū)十分重視其應(yīng)用研發(fā)。

此外，針對(duì)戰(zhàn)后大量戰(zhàn)爭(zhēng)遺留未爆物，可利用SQUID開展未爆物檢測(cè)，屬于磁法探測(cè)的范疇——其在弱磁檢測(cè)領(lǐng)域具有巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可提供更高的靈敏度和矢量能力，比傳統(tǒng)的磁場(chǎng)張量系統(tǒng)有更好的檢測(cè)能力。目前，國內(nèi)外相關(guān)專家已成功開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，包括地下核爆武器探測(cè)、陸基淺埋未爆物探測(cè)、水雷檢測(cè)（艦艇防護(hù)），以及水下移動(dòng)平臺(tái)未爆物探測(cè)。

低頻電磁波對(duì)有耗介質(zhì)（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(shù)的一個(gè)重要基礎(chǔ)就是高靈敏度檢測(cè)，SQUID的優(yōu)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(fā)和應(yīng)用研究上具有很高的技術(shù)價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?。目前，基于?SQUID的低頻無線電技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)仍然屬于進(jìn)展緩慢的技術(shù)領(lǐng)域，真正在無線電通信領(lǐng)域采用?SQUID技術(shù)的成功應(yīng)用并不多見。例如，盡管美國海軍實(shí)驗(yàn)室很早已制作了低溫?SQUID甚低頻天線，但目前仍在潛艇中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

SQUID?相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于量子計(jì)算等前沿新興科學(xué)領(lǐng)域

量子計(jì)算機(jī)采用量子比特作為其基本單元，超導(dǎo)量子計(jì)算被視為最有可能實(shí)現(xiàn)通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的體系之一，在近十幾年內(nèi)迅猛發(fā)展。采用超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)量子比特以其在可控性、低損耗及可擴(kuò)展性等方面的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的固態(tài)方式之一。SQUID可用于構(gòu)建超導(dǎo)量子比特，也可用于超導(dǎo)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(hào)放大器來探測(cè)量子比特態(tài)的信息。超導(dǎo)量子比特和諧振腔構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，即腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，已成為超導(dǎo)量子計(jì)算研究的基本單元，并且超導(dǎo)多能級(jí)與諧振腔耦合的體系也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。2021年中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過制備千?Ω?級(jí)高阻抗?SQUID在微波諧振腔—半導(dǎo)體量子芯片耦合研究中取得重要進(jìn)展，探測(cè)到半導(dǎo)體量子點(diǎn)受微波驅(qū)動(dòng)調(diào)制的干涉新現(xiàn)象?。而在量子退火架構(gòu)中，射頻?SQUID（rf SQUID）磁通量量子位被廣泛使用，例如商業(yè)平臺(tái)?D-Wave?計(jì)算，rf SQUID通量量子比特表現(xiàn)出高重現(xiàn)性、長相干時(shí)間和中等水平的非諧性。

基于雙軌排列的負(fù)電感超導(dǎo)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(tài)傳輸速度和基礎(chǔ)物理問題的研究上有著很大的優(yōu)越性。中國科學(xué)院物理研究所、清華大學(xué)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(cè)量，發(fā)展出了一套成熟的超導(dǎo)量子比特制備的多層膜工藝，填補(bǔ)了國內(nèi)在這一研究領(lǐng)域的空白。

高速超導(dǎo)存儲(chǔ)器是發(fā)展超導(dǎo)高性能計(jì)算技術(shù)的核心器件之一。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在?2020年提出了一種新型三維納米?SQUID超導(dǎo)存儲(chǔ)器件可以從原理上突破超導(dǎo)存儲(chǔ)器的集成度瓶頸??。

我國量子科技相關(guān)政策與趨勢(shì)

量子科技發(fā)展一直是我國高度重視的高技術(shù)領(lǐng)域，超導(dǎo)量子干涉器件相關(guān)技術(shù)作為量子科技的重要部分，一直備受關(guān)注。我國自?2006年就開始布局量子科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，多年來已經(jīng)發(fā)布多項(xiàng)政策規(guī)劃支持指導(dǎo)量子科技高速發(fā)展（表?1）。

通過梳理我國量子技術(shù)相關(guān)的政策規(guī)劃，其主要存在以下?3?個(gè)方面的趨勢(shì)。

對(duì)于量子科技的頂層設(shè)計(jì)越來越頻繁。近年來，國家對(duì)量子計(jì)算技術(shù)、量子精準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)布局越來越重視。2018?年以來，國家出臺(tái)多項(xiàng)政策推進(jìn)量子技術(shù)發(fā)展，形成從領(lǐng)域頂層設(shè)計(jì)到整體學(xué)科布局的全面性頂層規(guī)劃。

量子科技相關(guān)政策規(guī)劃層級(jí)越來越高。量子科技越來越得到國家重視，量子計(jì)算、量子通信、量子檢測(cè)等一批關(guān)鍵技術(shù)在規(guī)劃中不斷提出，國家先后組織召開專題會(huì)進(jìn)行學(xué)習(xí)、研討、布局。

量子科技規(guī)劃的體系化程度越來越高。早期規(guī)劃主要集中在單一科技規(guī)劃中，近年來更多地涉及社會(huì)發(fā)展、金融創(chuàng)新、區(qū)域整合等各個(gè)方面，突出顯示量子科技在社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中的重要作用。

我國發(fā)展?SQUID?相關(guān)技術(shù)的建議

SQUID技術(shù)是我國推進(jìn)高精尖儀器研發(fā)，打破國外壟斷的重要技術(shù)領(lǐng)域之一。為進(jìn)一步促進(jìn)我國在該領(lǐng)域突破一些關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)應(yīng)用場(chǎng)景的建設(shè)，提升應(yīng)用范圍與水平，提出?5個(gè)方面的建議。

建立國家超導(dǎo)電子學(xué)工程應(yīng)用中心或中國科學(xué)院超導(dǎo)量子干涉器件工程應(yīng)用中心。根據(jù)?SQUID在軍用、民用等不同應(yīng)用場(chǎng)景，①發(fā)現(xiàn)、拓展并構(gòu)建超導(dǎo)量子干涉器件在我國國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用場(chǎng)景，開展場(chǎng)景研究與分析；②以應(yīng)用場(chǎng)景為導(dǎo)向，解決突破關(guān)鍵技術(shù)封鎖與應(yīng)用的技術(shù)問題，聯(lián)合社會(huì)力量，開展技術(shù)攻關(guān)；③強(qiáng)化體制機(jī)制建設(shè)，構(gòu)建社會(huì)、政府、科研共同參與，政府指導(dǎo)、社會(huì)支撐、科研機(jī)構(gòu)實(shí)施的面向國家任務(wù)的靈活管理與經(jīng)濟(jì)分配機(jī)制。

加強(qiáng)?SQUID?關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。不斷改進(jìn)SQUID?設(shè)計(jì)、采用并開發(fā)新型超導(dǎo)材料和小型化支撐技術(shù)，以促使?SQUID在未來得到更廣泛和成熟的應(yīng)用。低溫?SQUID所需的低溫環(huán)境及產(chǎn)生的巨大運(yùn)營成本是限制其應(yīng)用推廣的一個(gè)重要因素，采用高溫超導(dǎo)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(jìn)高溫?SQUID制備技術(shù)，提升器件性能及一致性是未來?SQUID?應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

進(jìn)一步拓展深化?SQUID?應(yīng)用場(chǎng)景。SQUID技術(shù)的發(fā)展也依賴于新的創(chuàng)新應(yīng)用的開發(fā)。例如，腦科學(xué)研究越來越受到重視，基于?SQUID的腦磁圖測(cè)量有可能發(fā)揮更大的作用。量子計(jì)算的熱潮也促進(jìn)和拓展了?SQUID器件的應(yīng)用，建議進(jìn)一步深化?SQUID在量子計(jì)算、超導(dǎo)高性能計(jì)算等前沿新興領(lǐng)域中的技術(shù)應(yīng)用。

建立依托中國科學(xué)院的全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，聚集科研力量。匯聚中國科學(xué)院相關(guān)領(lǐng)域人才，以全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重組為契機(jī)，將相關(guān)?SQUID的研發(fā)納入新全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的重要研發(fā)方向；依托國家量子研發(fā)在北京、上海、深圳、合肥等地的布局，將中國科學(xué)院相關(guān)力量向長三角整合。

以?SQUID?高端平臺(tái)建設(shè)為契機(jī)，探索建立中國科學(xué)院圍繞關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與市場(chǎng)整合的新機(jī)制。進(jìn)一步凝聚高校、研究所、企業(yè)等的力量，探索構(gòu)建新的市場(chǎng)技術(shù)研發(fā)、利益分配、人才交流等機(jī)制，構(gòu)建符合國家發(fā)展需要的“高、精、尖”產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)模式和生態(tài)發(fā)展格局。（《中國科學(xué)院院刊》供稿）

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