中國超導電子學研究及應用進展*

李春光 王佳 吳云 王旭 孫亮3)? 董慧 高波李浩 尤立星 林志榮 任潔 李婧 張文 賀青王軼文 韋聯(lián)福8) 孫漢聰 王華兵 李勁勁 屈繼峰

1) (中國科學院物理研究所,超導國家重點實驗室,北京 100190)

2) (中國科學院超導電子學卓越創(chuàng)新中心,上海 200050)

3) (松山湖材料實驗室,東莞 523808)

4) (中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所,信息功能材料國家重點實驗室,上海 200050)

5) (中國科學院紫金山天文臺,南京 210023)

6) (西南交通大學信息科學與技術學院,信息量子技術實驗室,成都 610031)

7) (西南交通大學物理科學與技術學院,量子光電實驗室,成都 610031)

8) (東華大學理學院,光子學實驗室,上海 210031)

9) (南京大學超導電子學研究所,南京 210093)

10) (紫金山實驗室,南京 211111)

11) (中國計量科學研究院,北京 100029)

超導體的發(fā)現(xiàn)距今已有近110年了,高溫超導體的發(fā)現(xiàn)也已經(jīng)有30多年了.超導材料的電子學應用在最近一二十年取得了突破性進展.高溫超導微波器件顯示了比傳統(tǒng)微波器件更優(yōu)越的性能,已經(jīng)在移動通信、雷達和一些特殊通信系統(tǒng)中取得了規(guī)模化應用.超導量子干涉器件以其磁場和電流測量的超高靈敏度,成為地質勘探、磁共振成像和生物磁成像等領域不可替代的手段.包括超導隧道結混頻器、超導熱電子混頻器、超導轉變沿探測器及超導單光子探測器等在內的超導傳感器/探測器可以探測全波段的電磁波及各種宇宙輻射,具有接近量子極限的超高靈敏度,在地球物理、天體物理、量子信息技術、材料科學及生物醫(yī)學等眾多前沿領域發(fā)揮越來越重要的作用.超導參量放大器已經(jīng)成為實現(xiàn)超導量子計算的關鍵器件.超導集成電路技術已被列入國際器件與系統(tǒng)技術路線圖,成為后摩爾時代微電子領域的前沿陣地之一.在計量科學中,超導約瑟夫森效應及約瑟夫森結陣器件被廣泛應用于量子電壓基準和國際單位制基本單位的重新定義中.在當前的量子信息技術熱潮中,超導電子學扮演重要角色,同時量子熱潮也大力推動了超導電子學的發(fā)展.本文主要對近幾年我國超導電子學研究和應用的現(xiàn)狀與進展進行概括總結.

1 引 言

1911年,荷蘭物理學家Onnes[1]在測量金屬汞的剩余電阻率時,首次發(fā)現(xiàn)當溫度降低到4.2 K附近時,汞的電阻有一個突然轉變,降低到接近于零,他認為汞在4.2 K以下進入了一個新的物態(tài),并將其命名為超導態(tài).其后的超導環(huán)電流衰減實驗表明[2],超導態(tài)金屬中的電阻率小于10—23Ω·cm.1933 年,德國物理學家 Meissner和Ochsenfeld[3]對錫單晶球超導體做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)了超導體的另一個基本性質 —邁斯納效應.1960年,美裔挪威籍科學家Giaever發(fā)現(xiàn)了在超導體隧道結中存在單電子隧道效應[4].1962年,英國的Josephson[5]從理論上預言了超導電子對隧穿的約瑟夫森效應,并很快被實驗所證實.零電阻、邁斯納效應、陡峭的絕緣-超導轉變、單電子隧道效應和約瑟夫森效應等構成了超導體應用的主要物理基礎,揭示了超導應用的巨大潛力.超導體的應用可分為三類： 強電應用、弱電應用和抗磁性應用.強電應用即大電流應用,包括超導磁體、超導發(fā)電、輸電和儲能； 弱電應用即電子學應用,包括超導數(shù)字電路、超導傳感器/探測器、超導微波器件等；抗磁性應用主要包括磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等.然而由于傳統(tǒng)的BCS超導體超導轉變溫度處于液氦溫區(qū),昂貴且笨重的制冷設備給超導體的應用帶來了諸多限制.1986年瑞士的Bednorz和Muller[6]發(fā)現(xiàn)了一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物 LaBaCuO4,其臨界溫度約為 35 K,拉開了高溫超導研究的序幕.1987年美國休斯頓大學朱經(jīng)武等[7]與中國科學院物理研究所趙忠賢[8]等先后宣布制成臨界溫度約為90 K的超導材料釔鋇銅氧 (YBa2Cu3O7,YBCO),其轉變溫度已經(jīng)到了液氮溫區(qū),所以這一類超導體被稱為高溫超導體.隨后又發(fā)現(xiàn)了Bi2Sr2CaCu2O8(BSCCO)和Tl2Ba2Ca1CunO2n+4等超導轉變溫度更高的氧化物超導體.高溫超導體的發(fā)現(xiàn)不僅帶來了超導機理研究的又一個高潮,也有力地推動了超導應用研究的蓬勃發(fā)展.在高溫超導體發(fā)現(xiàn)30多年后,超導技術已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模化商業(yè)應用.本文對超導弱電領域的研究和應用現(xiàn)狀進行總結和回顧,主要介紹最近幾年國內超導電子學應用的最新成果和發(fā)展趨勢.

2 超導微波器件

超導微波應用是超導體零電阻特性的一種應用.當通過微波信號時,超導材料雖然不像在直流電流下那樣具有零電阻,但其微波表面電阻仍然非常小.如圖1 所示,在 1 GHz 的頻段,YBCO 的微波表面電阻比銅小3—4個數(shù)量級[9].雖然隨著微波信號頻率的升高,二者差距逐漸縮小,但直到100 GHz之下,YBCO的微波表面電阻仍然比銅小.所以用超導材料制作的微波諧振器具有非常高的品質因數(shù),制作的天線、濾波器、諧振腔和移相器等無源微波器件具有非常小的微波損耗.另外,利用超導態(tài)到正常態(tài)轉變時巨大的電阻差還可以制作微波接收系統(tǒng)中的限幅器.

圖1 YBCO薄膜與銅的微波表面電阻的頻率特性[9]Fig.1.Frequency dependence of the microwave surface resistance of YBCO film and copper[9].

超導濾波器是所有超導微波器件中研究和應用最為深入廣泛的一種.這得益于兩方面的原因：1)極小的微波表面電阻不僅使超導濾波器具有非常小的插入損耗,而且使設計制作相對帶寬非常小、階數(shù)非常高的濾波器成為可能,這大大提高了濾波器對微波信號的選擇性,使超導濾波器與常規(guī)濾波器相比,性能提升非常顯著； 2)近些年通信、雷達、衛(wèi)星等行業(yè)的飛速發(fā)展,為超導微波濾波器的應用帶來了非常廣闊的市場和發(fā)展前景.所以在高溫超導材料發(fā)現(xiàn)不久,人們就開始了高溫超導濾波器的研制.平面微帶線結構具有體積小、易于集成和加工工藝成熟等優(yōu)點,因此隨著高質量高溫超導薄膜的研制成功,具有非常優(yōu)越性能的超導微帶濾波器很快被研制出.美國最早開展了高溫超導空間實驗計劃(HTSSE)[10],并在移動通信領域實現(xiàn)了規(guī)模化應用.據(jù)美國超導技術公司(STI)宣稱,有超過10000個基站使用了他們生產(chǎn)的高溫超導微波接收前端[11].隨后歐洲、日本等國也都開展了高溫超導微波接收前端的應用試驗[12,13].

最近幾年,超導濾波器的研制繼續(xù)向縱深推進,努力從設計方法或是物理結構上尋求突破,力爭實現(xiàn)普通微帶超導濾波器難以實現(xiàn)的參數(shù)指標和性能,例如： 大的相對帶寬、高的功率承載能力、小型化,以及實現(xiàn)工作頻率的可調化等等.比如日本山梨大學最近幾年一直致力于高功率承載能力的超導濾波器研究,他們將兩個相同的超導微帶線對稱疊放在一起,構成類似帶狀線的結構,稱之為“雙帶結構”[14].這種雙帶結構中,上下兩條微帶線耦合在一起便會有偶模和奇模兩種模式.讓濾波器工作于偶模模式的時候,兩條微帶線中電流方向相同,產(chǎn)生的磁場方向相反,相互抵消,減弱了微帶線間的磁場,從而降低電流密度.根據(jù)2017年[15]和2019年[16]他們最新的研究結果,采用這種結構的高溫超導濾波器功率承載能力達到46.2 dBm(41.7 W).為進一步增加功率承載能力,他們還研究了高溫超導塊狀諧振器.一般大塊的超導塊材晶體缺陷較多,微波表面電阻要比外延生長的超導薄膜材料差.用超導塊材做諧振器需要尋找微波性能好的材料.實驗發(fā)現(xiàn)燒結生長的GdBa2Cu3Oy具有較小的微波表面電阻[17],日本山梨大學用它燒結成厚約1 mm的圓片狀,用作TM01模式的諧振器,當諧振頻率為 5 GHz 時,超導圓片直徑約20 mm,品質因數(shù) (Q)約 2400 左右[18].用這種諧振器研制的超導濾波器功率承載能力達到100 W以上[19-22],5 階的濾波器插入損耗小于 0.5 dB.可調頻率濾波器也是一個重點研究方向.最近日本Sekiya等[23,24]用介質棒調諧的方法研制了一款4階可調頻率雙通帶超導濾波器,采用介電常數(shù)為39的介質棒進行頻率調節(jié),實現(xiàn)的濾波器中心頻率調節(jié)范圍約為4.8%,濾波器插入損耗只增加了0.06 dB,從 0.13 dB 增大到 0.19 dB.2018 年加拿大一個研究小組針對美軍戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈(Link-16)用環(huán)形器、超導帶通濾波器和MEMS開關研制了一款可調頻率帶阻濾波器[25,26],其主要技術路線是用環(huán)形器將超導三通道帶通濾波器變成帶阻濾波器,然后用微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)使某通道的濾波器中諧振器失諧,從而達到選擇頻段的目的.

在整個微波接收前端系統(tǒng)中,除濾波器外還有很多器件是可以用超導材料實現(xiàn)并帶來系統(tǒng)性能提升的.天線是微波接收系統(tǒng)中最前端器件,與傳統(tǒng)天線相比,超導天線損耗非常低.但由于超導天線的Q值高,也帶來了帶寬窄的缺點,所以近年超導天線的研究比較少.隨著最近幾年微波領域濾波天線的研究熱潮,超導濾波天線將彌補帶寬窄的缺點,成為一個潛在研究熱點方向.限幅器也是大多數(shù)微波接收系統(tǒng)必要的元件,用來阻斷大功率微波脈沖對后級電子系統(tǒng)的沖擊.高溫超導材料在正常態(tài)電阻接近絕緣體,而在大功率信號下從超導態(tài)向正常態(tài)轉變的響應時間在納秒以下,所以高溫超導材料是研制微波限幅器的理想材料.2017年俄羅斯一個研究組用在NdGaO3襯底上生長的YBaCuO薄膜研制出工作于8 GHz的限幅器[27,28],當輸入微波功率為 13.5 dBm(22.4 mW)時開始起作用,當輸入功率達到46.5 dBm(44.6 W)時泄露功率僅有 5.9 mW(7.7 dBm).日本東芝公司近年來一直在研制相控陣雷達超導接收系統(tǒng).據(jù)2018年報道的結果[29-31],他們研制的 16(4 × 4)單元相控陣超導接收模塊工作于9 GHz,內部集成了16路超導移相器、超導T/R開關和超導功分器,包含制冷系統(tǒng)在內體積僅有 80 mm × 80 mm × 330 mm,其噪聲溫度為315 K.利用超導諧振器的高Q值還可以研制低相噪振蕩器.法國Thales公司研制的高溫超導諧振器Q值將近400000,用該諧振器制成的低相噪振蕩器相位噪聲約—130 dBc/Hz(頻率為 1 GHz,偏離 1 kHz 處)[32].

國內高溫超導微波器件的大規(guī)模研究在2000年前后開始,很快研制出性能達到國際先進水平的超導濾波器,比如插入損耗最小僅有 0.05 dB[33,34],相對帶寬最小達到0.02%[35],階數(shù)最高達到24階[36],帶邊陡度高達 300 dB/MHz,偏離帶邊 350 kHz 處的抑制就達到了 90 dB[37]等.最近幾年,高溫超導濾波器的研究向超寬帶、多通道和可調頻率方面拓展,取得了顯著成就.

一般將相對帶寬大于20%或在傳輸?shù)娜魏螘r刻帶寬大于500 MHz的通信系統(tǒng)稱為超寬帶(ultra wide band,UWB) 系統(tǒng).一方面在民用通信領域,美國聯(lián)邦通信委員會于2002年批準了UWB技術可用于民用商品.隨后,日本于2006年8月開放了UWB頻段.另一方面,在天文探測等領域,也是需要進行寬頻帶信號接收,所以寬帶超導濾波器在近些年引起大家關注.主流的超導濾波器一般采用半波長微帶線結構,其諧振器耦合強度較弱,難以達到超寬帶濾波器設計所需要的耦合強度.采用多模諧振器是設計超寬帶濾波器的一個可行途徑.具有物理對稱結構的諧振器具有奇模和偶模兩種諧振模式,通過合理調節(jié)奇模和偶模,以及它們的倍頻諧振峰的位置,可以形成較寬的濾波通帶.2017年華東交通大學利用三模諧振器研制了一款應用于射電天文望遠鏡的超寬帶濾波器[38],該濾波器具有一種奇模諧振模式和兩種偶模諧振模式,最終形成相對帶寬為66.7%的超寬帶濾波器.該濾波器用MgO襯底的YBCO超導雙面薄膜實現(xiàn),中心頻率1.5 GHz,封裝尺寸為20.8 mm × 16.15 mm.隨后清華大學[39,40]和電子科技大學[41]也發(fā)表了他們用多模諧振器研制的超寬帶超導濾波器的研究成果,相對帶寬都超過100%,其中電子科技大學利用雙環(huán)狀諧振器的7個諧振峰實現(xiàn)了2.56—11.15 GHz的通帶寬度,對應于125.3%的相對帶寬.多模諧振器易于實現(xiàn)超寬帶,但是很難做到高階數(shù),所以上述濾波器的帶外抑制一般都在20—30 dB左右.2018年中國科學院物理研究所(簡稱為物理所)[42]用低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)的方法在UHF頻段實現(xiàn)了相對帶寬為108%的超寬帶帶通高溫超導濾波器系統(tǒng)設計,其起始頻率為820 MHz,終止頻率為 2750 MHz,中心頻率為 1785 MHz,—40 dB 比—3 dB 的矩形系數(shù)為 1.4,優(yōu)于相同通帶下8階切比雪夫濾波器的矩形系數(shù).但兩個濾波器級聯(lián)導致整體體積比較大.最近物理所研發(fā)了新的寬帶濾波器設計方法,在低通濾波器電路內部插入高通元件,所有低高通電路元件都采用微帶線結構的半集總元件,在一塊 2 英寸 (1英寸=25.4 mm)的超導薄膜上實現(xiàn)了通帶頻率0.8—2.7 GHz,相對帶寬大于100%,帶外抑制超過70 dB的超寬帶濾波器[43],如圖2所示.

圖2 物理所研發(fā)的通帶頻率為 0.8-2.7 GHz 的超寬帶超導濾波器[43]Fig.2.HTS UWB filter with frequency band of 0.8-2.7 GHz developed by Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences[43].

超導濾波器在頻率選擇性和微波損耗等方面展示了其超越傳統(tǒng)微波濾波器的優(yōu)越性能,但其也有根本弱點,那就是需要工作在低溫環(huán)境(通常由機械制冷機提供),因而體積重量比較龐大.要想減小體積重量,除了制冷機本身的改進外,超導濾波器本身也需要盡量小型化,降低制冷機負載.雙工器和多通帶濾波器在一塊基片上設計實現(xiàn)兩個或者多個微波通帶,是減小微波接收系統(tǒng)濾波器尺寸的有效辦法.設計雙工器或是多通帶濾波器有多種方法,可以針對每個通帶設計單獨濾波器,然后將各濾波器用微帶分支線連接起來[44]； 用一個帶通濾波器級聯(lián)一個或多個帶阻濾波器,用帶阻將帶通的單個通帶分割成多個通帶[45]； 還可以利用頻率變換或耦合矩陣優(yōu)化將傳輸零點設計在通帶內來直接設計多通帶濾波器[46].近年來采用多模諧振器來構成多通帶濾波器成為一個比較引人關注的方法.多模諧振器通過級聯(lián),每一個諧振模式形成一個濾波通帶.華東交通大學曾用多模諧振器設計制作了三通帶[47]和四通帶[48]超導濾波器,其中四通帶超導濾波器整體電路尺寸僅有11.35 mm ×6.5 mm.當然,上述多通帶濾波器具有階數(shù)難以提升,通帶矩形度不高的問題.目前雙模雙通帶超導濾波器已經(jīng)做到了10階,帶外抑制超過90 dB[49].利用多模諧振器,還便于設計多通道平衡濾波器.去年華東交通大學研制的雙通帶平衡濾波器[50],如圖3 所示,電路尺寸為 16.1 mm × 15.9 mm,兩個通帶插損分別約為 0.13 dB和 0.16 dB,實現(xiàn)了較好的共模噪聲抑制.但總體來看,使用多模諧振器研制多通帶濾波器還存在各通帶帶寬調節(jié)范圍較小的難點,需要進一步研究.

可調頻率超導濾波器也是一個提高超導濾波器適用領域的主要研究方向,對于頻率普查和電子對抗等領域具有重要意義,是實現(xiàn)微波通信“自適應濾波”的手段之一.但是從目前研究現(xiàn)狀來看,高性能可調頻率超導濾波器的實現(xiàn)還是比較困難的,多數(shù)可調頻率超導濾波器要么頻率調節(jié)范圍不大,要么插入損耗過大,因此需要在材料、設計或是工藝方面的新突破.物理所曾用半導體變容二極管研制一款UHF波段相對帶寬約為3%的可調帶通超導濾波器[51],中心頻率調節(jié)范圍為430—720 MHz,對應可調率為 50.4%,最大插損 3.8 dB.最近物理所研制的中心頻率調節(jié)范圍為72.6—118 MHz[52],可調率為49%的超導帶通濾波器的最大插損降低到2.3 dB.帶阻濾波器對諧振器Q值要求較低,相對來說半導體變容二極管更適合研制可調帶阻超導濾波器.物理所報道的一款可調帶阻超導濾波器[53]中心頻率調節(jié)范圍為 286—485 MHz,可調率為 51.6%,最高阻帶抑制達到 70 dB.基于 BaxSr1—xTiO3鐵電薄膜的可變電容微波損耗略小于半導體變容二極管,結合超導薄膜能夠進一步降低損耗,但制作工藝復雜,成本較高.物理所采用在MgO襯底上先生長Ba0.05Sr0.95TiO3,再原位覆蓋生長YBCO的方法制備鐵電/超導多層膜,并制作成可變插指電容.通過調節(jié)外加偏壓,可變電容容值可從 8 pF 調節(jié)為 2.3 pF,可調率達到了 72%[54].

圖3 華東交通大學任保平等[50]研制的雙通帶平衡濾波器Fig.3.HTS differential bandpass filter developed by East China Jiaotong University[50].

在國內,高溫超導微波器件及子系統(tǒng)的應用研究已大面積開展.在移動通信方面,清華大學、物理所和天津海泰超導技術公司等多家單位開展了高溫超導濾波器子系統(tǒng)的應用研究[55].清華大學曾和北京聯(lián)通公司合作,在北京建立了超導通信示范小區(qū).由于應用于移動通信的高溫超導前端均需要配備機械制冷機,造成價格、重量、體積和功耗居高不下,大大限制了其商業(yè)應用.目前物理所正在努力開發(fā)低成本、高性能的小型化高溫超導前端,力求早日在移動通信基站的規(guī)模應用上取得突破.在雷達應用方面,物理所在國際上首次將高溫超導微波前端引入風廓線雷達中,取得了良好效果[56].最近幾年中國電子科技集團16所在深空探測天文接收機方面的應用也取得了很大進展[57,58].在空間應用方面,2012年10月,由物理所和航天五一〇所共同研制的超導濾波器驗證試驗裝置隨實踐九號衛(wèi)星發(fā)射升空,這是世界上繼美國HTSSE后第二個成功的超導空間實驗,目的是為了驗證國產(chǎn)制冷機和超導器件能夠在空間環(huán)境工作[59,60].2016年9月,由物理所和中電集團36所研制的作為天宮二號有效載荷的實用高溫超導微波接收前端成功發(fā)射升空,到2019年7月圓滿完成在軌任務,取得了良好的應用效果.這是我國高溫超導微波前端的首次空間應用,表明我國超導微波技術的空間應用已躋身國際前列.

3 超導傳感器/探測器

超導傳感器/探測器是基于超導材料陡峭的超導轉變或是超導隧道效應來實現(xiàn)高靈敏探測,可以探測磁場、電磁波及各種宇宙輻射,具有接近量子極限的超高靈敏度,在地球物理、天體物理、量子信息、材料科學、計量科學及生物醫(yī)學等眾多前沿領域發(fā)揮越來越重要的作用.

3.1 超導量子干涉器件

超導量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)的工作原理基于兩個物理現(xiàn)象： 約瑟夫森隧道效應和磁通量子化效應,是迄今為止最靈敏的磁通傳感器.SQUID可直接測量磁通及磁場、電流等任何能轉換為磁通的物理量,并具有帶寬高和在DC～GHz范圍內頻率響應曲線平坦的優(yōu)點,因此在地球物理、天文、生物醫(yī)學等領域發(fā)揮著重要作用.

按照SQUID所含的約瑟夫森結(Josephson junction,JJ)的數(shù)量來劃分,可將 SQUID 分為包含1個JJ的射頻SQUID和包含2個JJ的直流SQUID.從工作溫度來看,SQUID又可分為工作于液氦溫區(qū)的低溫超導SQUID和工作于液氮溫區(qū)的高溫超導SQUID.雖然高溫超導SQUID對工作溫度的要求更低,但低溫超導SQUID(主要是直流SQUID)具有更低的本征磁通噪聲、更高的可靠性和更成熟的制備工藝,因此是唯一一種具有成熟商業(yè)化產(chǎn)品的SQUID類型.

國內SQUID器件研究以Nb基材料為主,包括基于Nb/Al-AlOx/Nb和NbN/AlN/NbN的超導-絕緣-超導(superconductor/insulator/superconductor,SIS) 型直流SQUID[61,62],基于Nb/NbxSi1—x/Nb的超導-正常金屬-超導(superconductor/normalmetal/superconducto,SNS)型直流 SQUID[63]等.其中,Nb/Al-AlOx/Nb型直流SQUID工藝相對穩(wěn)定可靠,因此采用此工藝制備的直流SQUID磁強計磁場噪聲可達3 fT/Hz1/2以下[64].因梯度計構型的SQUID具有較好的抗共模干擾能力,中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所(簡稱為上海微系統(tǒng)所)設計并制備了用于無屏蔽復雜電磁環(huán)境中的高平衡度直流SQUID梯度計,并將其應用在地球物理勘探中[65].在保證一定的工作電流和工藝條件許可的情況下,為了進一步增加SQUID在實際環(huán)境中抗強磁場干擾的能力,約瑟夫森結尺寸應盡量小,因此上海微系統(tǒng)所開發(fā)了基于亞微米約瑟夫森結的直流SQUID工藝[66].利用SQUID極低噪聲的優(yōu)勢,清華大學、中國科學院高能物理所(簡稱為高能所)和上海微系統(tǒng)所等單位還制作了陣列形式的SQUID放大器[67,68],可用于超導轉變邊沿探測器信號的讀出.如果將SQUID尺寸做得很小(如nano-SQUID),雖然磁場分辨率會變差,但空間分辨率將顯著增加,因此可以作為SQUID顯微鏡、磁化率計等[69].以上提到的SQUID都是以低溫超導材料為主,近年來國內也有少量高溫SQUID器件的研究[70].

直流SQUID一般工作于固定電流(或電壓)偏置下,此時其輸出電壓(或電流)隨外界磁場的變化呈周期性變化,變化周期為Φ0.直流SQUID器件通常需要配合磁通鎖定環(huán)(flux locked loop,FLL)電路來實現(xiàn)磁通-電壓的線性讀出.由于SQUID本征磁通噪聲轉化為電壓噪聲后遠低于現(xiàn)有半導體前置放大器的噪聲水平,因此通常需要借助“磁通調制讀出電路+FLL”的構型來實現(xiàn)SQUID輸出電壓的低噪聲線性讀出.為了提高讀出電路的可靠性、穩(wěn)定性和實用性,上海微系統(tǒng)所針對不同應用需求開展了直接讀出電路的研究[71],包括提出基于電壓偏置的SQUID自舉電路讀出方式[72]、基于自主研發(fā)的欠阻尼SQUID芯片[73]發(fā)展單片讀出電路構型 (single chip readout electronics,SCRE)等[74].SCRE是國際上迄今為止最簡單的SQUID讀出電路,僅需1個運算放大器芯片即可實現(xiàn)常規(guī)SQUID讀出電路的所有功能,同時取消了FLL電路中的積分器,使得系統(tǒng)可靠性顯著提升,可滿足諸如地球物理勘探等實用化磁場測量的需求.

雖然我國在SQUID應用研究方面起步較晚,但近年來在地球物理勘探、極低場磁共振、生物磁成像等方面進展迅速.

SQUID磁強計和梯度計具有超高靈敏度,因此可以在礦產(chǎn)資源勘查、油氣資源調查、地震監(jiān)測等領域發(fā)揮重要作用.經(jīng)過多年研發(fā),上海微系統(tǒng)所已成功研制出基于SQUID平面梯度計的實用化航空超導全張量磁梯度測量樣機系統(tǒng),系統(tǒng)分辨率達 20 pT/m,并完成多次飛行試驗[75].針對深部地球物理勘查的迫切需求,上海微系統(tǒng)所還開展了基于低溫超導SQUID的瞬變電磁法(transient electro magnetic,TEM)工程樣機研發(fā)[76],噪聲水平為 7 fT/Hz1/2,擺率為 5 mT/s,系統(tǒng)帶寬為 200 kHz.上海微系統(tǒng)所與吉林大學聯(lián)合開展的超導TEM儀器與傳統(tǒng)儀器相比,低溫超導TEM在淺層分辨率、探測深度及極化率測量方面均有顯著優(yōu)勢[77,78],并在全國多地的礦區(qū)開展了設備驗證與商業(yè)化找礦工作,為當?shù)氐刭|構造研究及礦產(chǎn)勘探提供了重要參考.吉林大學研制了基于高溫超導直流SQUID的地面TEM系統(tǒng),目前噪聲水平為100 fT/Hz1/2@10 kHz,擺 率達到 30 mT/s,帶 寬為 100 kHz[79],并已用磁性源發(fā)射完成了數(shù)次異常環(huán)模擬實驗,用電性源發(fā)射在黑龍江大興安嶺地區(qū)完成了首次驗證性實驗.除了基于SQUID的地球磁場和磁梯度探測外,還可借助SQUID構建高分率和高帶寬的超導重力儀和超導重力梯度儀以獲得地球重力場,將超導加速度計中由位移引起的磁通變化轉換為電壓進行讀出,從而用于地球科學研究、資源勘測、重大自然災害監(jiān)測與預警等領域.華中科技大學自2011年開始超導重力儀的研制,梯度儀的共模抑制比提高到了90 dB,儀器在實驗室的噪聲水平達到 2 E/Hz1/2(0.1 Hz),目前已進入工程樣機關鍵技術攻關階段[80,81].

相較于主磁場(B0)強度在特斯拉量級的傳統(tǒng)核磁共振/磁共振成像 (nuclear magnetic resonance/magnetic resonance imaging,NMR/MRI)技 術,工作場強為百微特(μT)量級的極低場NMR/MRI技術具有成本低廉、可測“純”異核自旋-自旋耦合譜、正常組織與病變本征縱向弛豫時間對比度強、無磁化率偽影等優(yōu)勢,因此成為SQUID應用的研究熱點之一.對于極低場MRI,傳統(tǒng)法拉第線圈的檢測靈敏度不能滿足信噪比要求,因此可以采用SQUID電流計加超導磁通變換器的構型來作為磁傳感器.上海微系統(tǒng)所自2007年開始基于低溫超導SQUID的極低場磁共振研究,第二年即在國際上首次在惡劣城市電磁環(huán)境中觀測到無屏蔽核磁信號[82].上海微系統(tǒng)所針對環(huán)境電磁干擾問題研發(fā)了一系列噪聲抑制和屏蔽技術,目前信號頻段的磁場噪聲在 0.8 fT/Hz1/2左右[83-86],并已獲得多通道三維MRI圖像[87].已開展的應用研究包括：腦組織的反常弛豫現(xiàn)象研究[88]、用于體外檢測的核磁弛豫開關技術研究[89]、新型極低場磁共振造影劑研究[90]等.除了低溫超導SQUID以外,物理所和北京大學分別采用高溫超導直流SQIUD和射頻SQUID開展了弛豫時間相關的研究[91,92].

生物磁是人體電生理活動過程中產(chǎn)生的微弱磁場,在人體中分布廣泛,包括心磁、胎兒心磁、腦磁、肺磁、肌磁等.生物磁成像具有靈敏度高、完全被動、無輻射、非接觸等突出優(yōu)點,可用于疾病早期診斷、腦功能研究、健康篩查等領域,是SQUID的一個重要應用方向.上海微系統(tǒng)所先后攻克了核心超導傳感器、系統(tǒng)集成等關鍵技術,發(fā)展了4通道、9通道和36通道成人心磁圖儀,在醫(yī)院無屏蔽環(huán)境下成功實現(xiàn)了高質量成人心磁的測量[93].通過基于227例心肌缺血患者和347例健康對照組的臨床研究發(fā)現(xiàn),心磁圖的診斷精度高達94%以上,驗證了心磁圖在心肌缺血方面的診斷潛力[94].2019年上海微系統(tǒng)所發(fā)展的國內首臺無屏蔽心磁圖儀成功獲批二類醫(yī)療器械產(chǎn)品注冊證,將來有望在心臟檢查領域發(fā)揮獨特的作用.此外,上海微系統(tǒng)所還對胎兒心磁、腦磁、肌磁等多種生物磁測量進行了原理驗證.

3.2 超導隧道結混頻器

超導隧道結是由兩片超導薄膜層和中間僅有幾納米厚的勢壘層所構成的SIS結構,它具有能隙以下極低暗電流和超強非線性伏安特性兩大特點.超導隧道結混頻器的功能是將極微弱的被探測信號與頻率相近的本振信號進行外差混頻,產(chǎn)生一個低頻信號,再對其進行放大和頻譜處理,其靈敏度能夠接近測不準原理所制約的量子噪聲極限.1960年,Giaever[4]的實驗發(fā)現(xiàn)了超導體中的準粒子隧穿效應,從此開啟了基于隧穿效應的超導混頻器研究.20 世紀 70 年代末,Tucker[95]建立了基于光子輔助的準粒子隧穿效應混頻理論.之后隨著貝爾實驗室發(fā)明了基于光刻工藝的鈮基超導隧道結制備技術,使得超導隧道結芯片制備的能力得到顯著提升.由此,毫米波和亞毫米波段的超導隧道結混頻器技術研究與應用進入飛速發(fā)展時期,也因此推動了太赫茲天文學的快速進步,引領了原行星盤精細結構、宇宙中水的蹤跡及黑洞成像等一系列重大天文科學發(fā)現(xiàn).2019年4月10日,事件視界望遠鏡 (event horizon telescope,EHT)發(fā)布了人類歷史上第一張黑洞照片[96],引起巨大轟動.EHT是整合了分布于地球上不同地點的8臺望遠鏡及望遠鏡陣列,構成一個概念上口徑相當于地球直徑大小的望遠鏡,以干涉的方式,對黑洞進行拍攝成像.需要特別強調的是,雖然干涉技術實現(xiàn)了超高空間分辨率,但決定探測靈敏度的主要因素是本文所介紹的超導隧道結混頻器技術.可以說,沒有超導隧道結混頻器,就不可能有2019年的人類歷史上第一張黑洞照片.

受超導材料的特性限制,超導隧道結混頻器須工作在極低溫環(huán)境,通常只有幾個開爾文(絕對零度以上幾度).經(jīng)典鈮(Nb)基超導隧道結混頻器的工作溫度通常在液氦溫區(qū) 4.2 K.近年來,隨著在更高頻及極端環(huán)境(空間或南極等)對超導混頻器技術的應用需求,更高能隙超導材料逐漸被應用到超導隧道結混頻器研制中,例如： 鈮鈦氮(NbTiN)和氮化鈮(NbN).其中,氮化鈮超導隧道結混頻器已經(jīng)可以工作在近10 K溫區(qū),并依然保持極高的探測靈敏度[97].

超導隧道結混頻器在我國射電天文望遠鏡上的應用開始于20世紀90年代末.在趙忠賢等老一輩科學家支持下,中國科學院紫金山天文臺為我國青海13.7米毫米波望遠鏡研制了我國首臺毫米波段超導SIS接收機(圖4)[98].該超導接收機使13.7米毫米波望遠鏡的靈敏度比之前的半導體接收機提高了一個量級,也使我國天文觀測從此擁有了國際先進的超導探測器.在此基礎上,紫金山天文臺還為該望遠鏡進一步研制了3毫米波段多譜線和多波束超導接收機系統(tǒng),使望遠鏡性能得到顯著提升.目前,基于 9 波束超導接收機系統(tǒng),13.7 米望遠鏡正在開展銀道面分子譜線巡天計劃,即： “銀河畫卷”計劃.此外,紫金山天文臺研究團隊還研制了500 GHz頻段的高能隙氮化鈮超導隧道結混頻器,并實驗驗證了其在10 K溫區(qū)的高靈敏度特性[99].該超導隧道結混頻器應用于我國的POST亞毫米波望遠鏡,在國際上首次實現(xiàn)NbN基超導隧道結的天文觀測應用[100].

圖4 (a) 100 GHz頻段超導接收機系統(tǒng)； (b) 趙忠賢院士和史生才研究員在已安裝我國首臺毫米波超導接收機系統(tǒng)的13.7米毫米波望遠鏡前的合影Fig.4.(a) The first superconducting SIS receiver in China； (b) photo of professor Zhao Zhongxian and Shi Shengcai standing next to the astronomical telescope with superconducting SIS receiver inside.

3.3 超導熱電子混頻器

超導熱電子 (hot electron bolometer,HEB)混頻器由一層極薄(通常幾納米厚)的超導薄膜(主要是 NbN,NbTiN 等)組成超導微橋,其長度和寬度可以調節(jié),以實現(xiàn)與兩端的射頻耦合電路之間的阻抗匹配.超導微橋中的電子吸收太赫茲輻射后電子溫度升高,隨后通過電子-聲子相互作用將能量傳遞給聲子從而升高聲子溫度,最后熱量逃逸到襯底中重新恢復平衡態(tài)[101].隨著對熱電子混頻機理的理解加深、制備工藝的成熟和測試系統(tǒng)的改進,超導HEB混頻器的接收機噪聲溫度已經(jīng)接近量子噪聲極限,成為太赫茲高頻段靈敏度最高的外差混頻器[102],并被成功應用到地面望遠鏡APEX、機載望遠鏡SOFIA、空間衛(wèi)星Hershel等,取得了包括HeH+離子探測在內的豐碩成果[103].

國內相關研究小組在超導HEB混頻器工作方面取得了顯著進展[104].紫金山天文臺開展了長期研究,實現(xiàn)了高集成度的超導HEB混頻器,成功研制了高達30 THz的超導HEB混頻器,目前正在研制的大規(guī)模探測器陣列,后續(xù)有望應用到中國南極昆侖站天文臺及載人航天空間站等平臺.

目前為止關于超導HEB混頻器的特性研究主要集中在液氦溫區(qū)(～4.2 K),但是大氣對太赫茲輻射的強吸收使得空間和極端環(huán)境(如南極冰穹A)下開展太赫茲天文譜線觀測具有重要的科學意義.在此條件下有限的能源供給限制了探測器可以達到的最低工作溫度,因此研究超導HEB混頻器在更高溫區(qū)(～10 K)的特性具有特殊的意義.紫金山天文臺采用三種不同工藝制備了超導HEB混頻器,分別具有從 8.2 K到 11.3 K的臨界溫度TC.通過改變超導HEB混頻器的環(huán)境溫度Tbath,測量了在0.85 THz和1.4 THz的接收機噪聲溫度Trec和中頻噪聲帶寬.結果表明,盡管3個器件具有不同的臨界溫度和不同的微橋長度,但是其溫度相關性完全一致,在低于0.8TC的溫度區(qū)間,接收機噪聲溫度基本保持不變,與基于分布式熱點模型仿真的結果吻合[105].超導HEB混頻器在4—9 K的溫度范圍內實測的中頻噪聲帶寬與環(huán)境溫度無關,表明主要是聲子制冷起主導作用.隨后研究了超導HEB混頻器的最優(yōu)偏置區(qū)[106],結果表明超導HEB混頻器具有較大的最優(yōu)偏置區(qū)間,為采用偏置復用技術研制超導HEB混頻器陣列接收技術奠定了基礎.

高靈敏度外差接收機的兩個關鍵部件—混頻器和本振信號源的集成有利于減小體積、降低功耗并提高系統(tǒng)可靠性.紫金山天文臺成功將低功耗 (～1.1 W)量子級聯(lián)激光器 (quantum cascadelaser,QCL)和超導HEB混頻器集成到同一閉環(huán)制冷機的4 K冷板上,并通過硅透鏡實現(xiàn)波束的高效傳輸,在2.7 THz實測的接收機噪聲溫度僅為 1500 K[107].為了進一步提升系統(tǒng)集成度,又將低功耗(～0.9 W)QCL與超導HEB混頻器集成在同一腔體中[108].QCL在4.2 K溫度下的輸出功率為0.4 mW,通過拋物面反射鏡匯聚后與Mylar分光膜實現(xiàn)與射頻信號的耦合,如圖5所示.Mylar分光膜的低溫集成在降低熱噪聲貢獻的同時減少空氣中震動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.實測接收機噪聲溫度約為800 K,相當于7倍量子噪聲極限(7hν/k),為大氣和天文領域將來的太赫茲計劃提供了高集成度、高靈敏度探測手段.

圖5 高集成度外差接收機 (a) 腔體里面集成了超導HEB 混頻器、QCL、拋物鏡和 Mylar分光膜； (b) 集成接收機光路圖Fig.5.Highly-integrated receiver based on superconducting HEB and QCL： (a) Superconducting HEB mixer,QCL,parabolic mirror and Mylar beamsplitter are integrated in the receiver block； (b) coupling of THz radiation from the QCL to the superconducting HEB.

中紅外波段包含大量的原子和分子譜線,通過對這些譜線的高頻率分辨率觀測可以研究原行星盤及行星大氣等重要科學問題.紫金山天文臺設計了工作在10 μm波段的平面螺旋天線,實現(xiàn)了與超導HEB混頻器的良好阻抗匹配.采用砷化鎵材料作為超導熱電子混頻器的基底,為NbN的生長提供良好的晶格匹配,同時具有很低的射頻傳輸損耗.QCL 工作在室溫,輸出功率約為 40 mW@10.6μm,足以抽運超導熱電子混頻器.實測的接收機噪聲溫度約為 5000 K[109].在此基礎上,采用相位光柵將一束本振參考信號分為4個波束[110],并通過光纖耦合從背面抽運超導HEB混頻器,為中紅外多波束外差陣列接收機奠定了基礎.

3.4 超導轉變邊沿探測器及其應用

超導轉變邊沿探測器(transition edge sensor,TES)使用極低超導轉變溫度的薄膜作為探測元件,利用超導薄膜的電阻在超導轉變邊沿隨溫度急劇變化的特性,通過測量薄膜的溫升來獲取入射光子/電磁波的能量/功率信息,是一種極為靈敏的超導光子探測器.20 世紀 40 年代初,Andrews等使用電流偏置的鉛膜[111]與鉭線[112]對紅外輻射進行了測量,TES 探測器 (功率計)由此誕生； 1949 年,Andrews等[113]又利用氮化鈮薄膜制備了TES微量能器原型,實現(xiàn)了對α粒子的計數(shù).為了提高探測器的靈敏度,TES通常選擇超導轉變溫度在mK溫區(qū)的材料來制備探測器薄膜,包括 W[114],Ti[115]等單質超導薄膜,以 Mo/Au[116],Mo/Cu[117],Ti/Au[118]為代表的超導/金屬(superconducting/normal,S/N)雙層薄膜,以及以AlMn[119]為代表的磁性摻雜薄膜.相比于單質材料,S/N雙層薄膜與磁性摻雜薄膜具備超導轉變溫度可調、薄膜導熱性好等優(yōu)勢,在TES探測器的制備中正得到越來越多的應用.

TES是一種低阻抗器件,其信號讀出需要低阻抗、低噪聲的電流放大器,目前學界多使用SQUID對TES進行信號讀出.由于單一SQUID的輸出電壓僅為數(shù)十微伏,實際應用中多使用單級SQUID串聯(lián)陣列或者兩級SQUID放大電路對TES探測器的信號進行讀出.SQUID串聯(lián)陣列的輸出信號幅度在毫伏量級,容易與室溫端的放大電路進行匹配.許多TES的應用場景都要求大光敏面與高計數(shù)率.為了滿足這些應用需求,近年來TES探測器陣列制備技術與SQUID復用讀出技術發(fā)展迅速.得益于大面積高均勻性超導薄膜制備技術的發(fā)展,國際上數(shù)千乃至上萬像素TES探測器陣列的制備已經(jīng)沒有明顯的技術瓶頸.在復用讀出技術方面,目前最成熟的是時分復用(time division multiplexing,TDM)[120,121]與頻分復用 (frequency divisionmultiplexing,FDM)[122,123]技術,每個讀出通道約可支持數(shù)十個TES像素的信號讀出,能夠滿足百像素到千像素規(guī)模的TES探測器陣列的讀出需求.由于TDM與FDM技術的一些固有缺陷,例如： TDM的讀出噪聲隨著復用比的平方根上升,而FDM的功耗高,讀出電子學復雜,這兩種讀出技術都難以支持更高的復用比.為了滿足未來更大規(guī)模的TES探測器陣列的讀出需求,近年來國際上微波復用[124,125]讀出技術得到快速發(fā)展,目前已經(jīng)實現(xiàn)利用一對同軸線對數(shù)百個TES探測器像素進行讀出,并已在微波波段與γ射線波段的TES探測器陣列讀出中得到應用.進一步的技術優(yōu)化有望將微波復用讀出技術的復用比提高到千像素水平.通過充分挖掘微波復用讀出技術的帶寬資源,并與TDM/FDM等技術聯(lián)合使用,理論上還可以進一步提高讀出復用比[126],實現(xiàn)十萬像素以上規(guī)模的TES探測器陣列信號讀出.

在應用需求的牽引下,國內多家單位近年來致力于TES探測器與相關技術的研究,涉及的TES探測器應用波段從毫米波一直延伸到γ射線波段,研究內容覆蓋超導薄膜生長、探測器器件設計與加工工藝、SQUID讀出芯片與電路、探測器系統(tǒng)集成、制冷機技術研究等多個方向.

TES功率計在地基毫米波與太赫茲波段天文觀測中有重要應用.紫金山天文臺、高能所與清華大學先后開展了這方面的研究工作.紫金山天文臺的研究人員使用高質量的Ti薄膜[127]制備了面向太赫茲波段應用的雙縫天線耦合的TES功率計(陣列)[128,129],陣列中 TES像素數(shù)目達到 64個(8×8),噪聲等效功率低至 3.8×10—17W/Hz1/2.清華大學的研究人員則使用Al-Ti雙層膜[130-132]研制了16像素(4×4)的TES功率計,噪聲等效功率約為 5 × 10—17W/Hz1/2.在應用方面,高能所正在聯(lián)合國內外多個單位,在西藏阿里5250 m的高海拔地區(qū)建設原初引力波觀測站[133,134].該觀測站的核心觀測裝備是一個擁有約7000個TES探測器像素,探測波段為 95 GHz 與 150 GHz的折射望遠鏡.該觀測站是北半球唯一的高精度宇宙微波背景輻射 (cosmic microwave background,CMB)偏振觀測站,建成后可望將原初引力波張標比的觀測精度提高一個數(shù)量級,同時填補北天區(qū)的觀測數(shù)據(jù)空白.未來通過對比阿里觀測站與智利、南極等南半球觀測站的數(shù)據(jù),研究人員可以更好地理解CMB偏振圖譜的南北天不對稱性.

近紅外與光頻波段的TES探測器光子數(shù)分辨能力強、暗計數(shù)極低,在量子信息與量子力學基本原理研究中發(fā)揮著重要的作用.清華大學與紫金山天文臺的研究人員分別采用Al/Ti[135]與Ti[136]薄膜研制了上述波段的TES探測器.紫金山天文臺最近實現(xiàn)了對1550 nm波長的光子40%的系統(tǒng)探測效率(見圖6),理論能量分辨率可達0.23 eV[137].

X射線與γ射線波段的TES微量能器是X射線天文學與材料分析領域的重要研究工具.TES微量能器的能量分辨能力遠高于半導體探測器,可與光柵/彎晶探測器相比擬.同時作為一種非色散型探測器,TES的總和探測效率顯著優(yōu)于光柵與彎晶探測器[138].TES微量能器因而兼具單光子探測能力、高能量分辨率與高探測效率的優(yōu)勢,是新一代高分辨率X射線/γ射線能譜儀的理想探測元件.歐洲航天局計劃于21世紀30年代發(fā)射的Athena-X射線天文衛(wèi)星將使用約3840像素的TES探測器陣列作為核心觀測元件[139],美、日等國已在多個先進光源與加速器設施中部署了使用TES探測器的能譜儀[140,141].國內在上述方向的應用研究與器件研發(fā)也正在蓬勃開展.清華大學聯(lián)合國內外多家單位在推動宇宙熱重子探尋者衛(wèi)星項目[142].該項目瞄準“失蹤重子”問題,計劃使用3600像素的TES探測器對星際間的溫熱氣體在軟X射線波段進行觀測.觀測結果有望解開“失蹤重子”之謎,并為研究宇宙大尺度結構與星系演化提供可靠的觀測數(shù)據(jù).上海微系統(tǒng)所聯(lián)合上海科技大學的研究人員正在為上海硬X射線自由電子激光器研制TES能譜儀原理樣機.上海微系統(tǒng)所的研究人員開發(fā)了利用離子注入技術制備大面積高質量AlMn薄膜的新技術[143],并利用AlMn與MoAu薄膜制備了集成“蘑菇”形純金吸收體的TES探測器.在γ射線波段,中國工程物理研究院的研究人員使用磁控濺射與分子束外延技術開展了TES薄膜的生長研究,同時在TES探測器設計、系統(tǒng)集成與應用方面也進行了大量的探索.

圖6 (a) 紫金山天文臺研制的雙縫天線耦合的 TES 功率計； (b) 上海微系統(tǒng)所研制的MoAu-TES微量能器Fig.6.(a) TES with planar twin-slot antenna developed by Purple Mountain Observatory,Chinese Academy of Sciences； (b) MoAu-TES developed by Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences.

國際計量大會光度和輻射度咨詢委員在2013—2023戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃中明確提出： 發(fā)展光子計量與量子強化測量技術.其關鍵技術為基于超導高效探測系統(tǒng)的光子數(shù)可分辨探測器.TES是高效靈敏,且具有能量分辨率的單光子探測器.中國計量科學研究院自2018年開始光學波段TES的研究,目標是研制850 nm和1550 nm的具有光子數(shù)可分辨和能量分辨率的TES探測器.中國計量科學研究院研究了基于Ti,Ti/PdAu和Ti/Au三種不同超導薄膜材料的TES器件,目前已成功制備出超導轉變溫度Tc在70—550 mK溫度范圍可調的超導薄膜[144,145].Tc可調器件可以滿足不同應用及不同制冷機工作溫區(qū)的要求,已研制出TES原型器件,得到基于SQUID的讀出信號.中國計量科學研究院同時開展了電感型超導轉變邊緣單光子探測器的研究工作,用于探索液氦溫區(qū)(4.2 K)TES探測器.

國內多個研究單位也在SQUID放大器、極低溫制冷機等TES探測器相關技術領域開展了研究工作.上海微系統(tǒng)所、高能所與清華大學正在開展TES探測器(陣列)信號讀出所需的各類SQUID放大器與超導開關研究.中國科學院理化技術研究所與清華大學開展了面向地面與空間應用的絕熱去磁制冷機的研究工作[146],理化所的研究人員預期近期在單級制冷條件下可以實現(xiàn)400 mK的制冷溫度.

3.5 超導納米線單光子探測器

單光子探測代表了微弱光輻射探測領域的極限水平,在物理學、天文學、化學、生命科學和醫(yī)學等領域廣泛應用.基于半導體的單光子探測器(single photon dDetector,SPD)相對成熟,包括硅雪崩光電二極管、光電倍增管等,但是多數(shù)半導體SPD只工作在可見光區(qū)域,其響應光譜由材料的能隙電壓所確定.針對近紅外波段應用,研究人員開發(fā)了基于窄禁帶半導體材料InGaAs/InP的SPD.其典型探測效率在 1550 nm 可達到 20%,但整體性能與可見光波段SPD相差甚遠[147].

超導納米線單光子探測器(superconducting nanowire single photon detector,SNSPD)是近十幾年發(fā)展起來的新型單光子探測技術,其相對于半導體探測器的最大優(yōu)勢就是其超高的探測效率、快速響應速度及幾乎可以忽略的暗計數(shù),且光譜響應范圍可覆蓋可見光至紅外波段.

SNSPD的核心是超薄超導材料制備的納米線,其探測基本原理是超導納米線吸收光子后會出現(xiàn)局域非平衡熱點“hot-spot”[148].在此作用下,納米線兩端會產(chǎn)生電壓脈沖信號,利用這種光電轉換實現(xiàn)單光子探測.2001年,莫斯科師范大學利用5 nm厚的NbN超薄薄膜制備了一條200 nm寬的超導納米線,成功實現(xiàn)了可見光到近紅外波段的單光子探測,開啟了超導納米線單光子探測器的先河.日前超導單光子器件性能已經(jīng)遠超常規(guī)半導體探測器,超過10個國家,近30家研究機構開展相關研究工作.國際上著名的研究團隊包括美國的NIST、MIT 和 JPL 等,歐洲的 TU Delft和 Glasgow,日本的NICT,俄羅斯的MSPU等.國內開展相關研究的機構包括上海微系統(tǒng)所、南京大學、清華大學、天津大學、物理所等.隨著量子信息產(chǎn)業(yè)化的飛速發(fā)展,SNSPD也存在巨大商業(yè)應用的潛在市場.國際上也因此出現(xiàn)了多個以SNSPD為核心產(chǎn)品的小型商業(yè)化公司,包括俄羅斯的Scontel、荷蘭Single Quantum、美國的Quantum Opus和Photon Spot、瑞士的 ID Quantique及上海賦同科技有限公司.SNSPD已成為當前最重要的單光子探測技術之一,其整體性能在近紅外波段與半導體探測器相比具有明顯優(yōu)勢,在量子信息技術等前沿領域具有不可替代的作用.

SNSPD器件主要包括以下性能參數(shù)： 1)器件效率,主要指的是系統(tǒng)的探測效率,在量子密鑰分發(fā)、集成光量子技術、量子力學實驗等領域要求器件的極限效率； 2)時間抖動,指的是信號到達時間與理想到達時間的偏差,包含器件的本征抖動和同步信號的抖動等多方面因素,一定程度上反映了器件響應的時間精度； 3)暗計數(shù),指沒有光入射的情況下自發(fā)產(chǎn)生的和光子響應完全無法區(qū)分的計數(shù)；4)計數(shù)率,指探測器每秒計數(shù)的次數(shù),反映了器件探測速率.

得益于量子信息技術的火熱,我國近年來在SNSPD技術及應用也得到了迅猛發(fā)展.在SNSPD器件方面,上海微系統(tǒng)所單光子團隊基于NbN材料研制的器件實現(xiàn)了98%的系統(tǒng)探測效率,達到了世界最優(yōu)水平,該器件利用低溫片上濾波技術,實現(xiàn)極低暗計數(shù)SNSPD[149].南京大學團隊創(chuàng)新性地應用了超導納米線低溫電子開關,設計了具有超低功耗和超緊湊尺寸的超導二進制編碼器,為未來的片上集成提供了參考.利用四陣列器件的高靈敏度和速度使用貝葉斯估計算法,分析不同發(fā)光強度下信息獲取的計數(shù)方法選擇,獲得了較低的誤碼率[150].天津大學獨創(chuàng)了彎曲納米線型SNSPD,實現(xiàn)了偏振無關SNSPD[151].

在SNSPD應用方面,我國亦取得了顯著的成果,諸如衛(wèi)星激光測距、量子密鑰分發(fā)和光量子計算等.在量子通信方面,SNSPD具有高效、低暗計數(shù)特點,很好地解決了長距離量子通信對低暗計數(shù)的需求.2011年起,上海微系統(tǒng)所研究團隊多次將SNSPD技術成功應用于量子通信實驗(和中科大合作).2012年利用SNSPD系統(tǒng)實現(xiàn)了合肥-六安-舒城近170 km的城際量子通信網(wǎng)絡.2013年成功利用自主研發(fā)SNSPD在國際上首次實現(xiàn)了200 km實驗室光纖和30 km現(xiàn)場光纖測量器件無關的量子密鑰分發(fā)(measurement-device-independent quantum key distribution,MDI-QKD),并將成碼率提高了3個數(shù)量級.央視朝聞天下欄目對該成果進行了專題報道,研究成果入選“兩院院士評選2014年中國十大科技進展”.2015年,在國際上首次實現(xiàn)了星型拓撲結構的MDI-QKD網(wǎng)絡(覆蓋合肥城區(qū) 200 km2).2016 年,利用 SNSPD成功實現(xiàn)了 404 km MDI-QKD 實驗.2020 年,利用SNSPD成功實現(xiàn)了509 km雙場QKD實驗,創(chuàng)造了新的光纖量子密鑰分發(fā)紀錄[152].在激光雷達應用中,SNSPD具有低時間抖動等特性,為高精度激光雷達的測距及成像等應用提供了技術保障.上海微系統(tǒng)所和南京大學研制的SNSPD都在衛(wèi)星激光測距中發(fā)揮了重要的作用.上海微系統(tǒng)所與上海天文臺合作,在國際上首次開展532 nm波長的衛(wèi)星激光測距,完成了對距離臺站3000 km國際聯(lián)測激光相對論衛(wèi)星LARES的測距,精度達8 mm.相關結果發(fā)表于 Optics Express,入選美國光學學會焦點關注文章 Spotlight on Optics[153].2016年初,經(jīng)過進一步系統(tǒng)優(yōu)化,已成功觀測到近2 萬公里的俄羅斯Glonass衛(wèi)星及同步軌道衛(wèi)星.2017年,南京大學等基于超導探測器在復雜海面環(huán)境下實現(xiàn)了70公里海霧探測[154].南京大學研制SNSPD解決了1064nm波段衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)的探測器瓶頸,與應用單位合作實現(xiàn)了3.6萬公里衛(wèi)星激光測距和40萬公里月地激光測距等,以及小空間碎片高精度探測和空間碎片自轉周期探測等[155,156].2020年,南京大學等利用最新研制的高性能超導陣列單光子探測器,大幅度提高激光雷達系統(tǒng)的靈敏度和抗環(huán)境雜散光能力,實現(xiàn)了百公里級低空軟目標的全天時探測[157].另外,利用研制SNSPD的高靈敏度和高時間分辨特點,南京大學與深圳先進技術研究院合作成功研制出紅外二區(qū)熒光壽命成像系統(tǒng),實現(xiàn)了活體三維熒光壽命成像,空間分辨率可以區(qū)分生物組織的亞細胞結構[158].在光量子計算方面,最為矚目的成果當屬2020年中科大實現(xiàn)的“九章”量子計算機原型機,實現(xiàn)了76個光量子比特,其性能達到了量子優(yōu)越性的又一個里程碑.該計算機原型機中使用了100通道的高性能SNSPD器件[159].

3.6 微波動態(tài)電感超導單光子探測器

前述SNSPD、TES和超導SIS等光子探測器在X射線、紫外光及紅外太赫茲等波段的弱光探測方面有優(yōu)異的性能,因而在天文探測、量子通信和量子計算等相關領域有重要的應用前景.然而,這些器件的大陣列集成往往受制于較為復雜的讀取電路.為克服這一困難,美國Day等[160]于2003年首先提出了稱為微波動態(tài)電感探測(microwave kinetic inductance detection,MKID)的新型超導單光子探測器,其核心是一個四分之一波長超導諧振器.工作在超導轉變溫度以下的超導薄膜吸收一個能量為hυ＞2Δ(Δ是超導體的超導能隙)的光子之后,一部分超導庫珀對被拆散然后產(chǎn)生了一定數(shù)量的準粒子,準粒子的密度增加使得諧振器動態(tài)電感變化從而改變諧振器的諧振頻率,同時帶來部分能量損耗導致品質因數(shù)降低.通過探測饋線中微波信號的相位改變實現(xiàn)單光子探測(見圖7).顯然,這種信號讀取線路非常適合頻域多路復用： 工作于不同頻率下的多個諧振器可以耦合到同一條傳輸饋線實現(xiàn)微波測量.因此,這種基于高品質因數(shù)四分之一波長共面波導傳輸線諧振器的MKID,可實現(xiàn)多個探測器信號的同時讀取,從而易于實現(xiàn)器件的陣列集成.

圖7 單元MIKD實現(xiàn)1550 nm波段光子數(shù)可分辨的單光子探測[164] (a) 器件S21參數(shù)的復頻面脈沖響應； (b) 可分辨7個光子的光子數(shù)分辨探測； (c) 集總型MKID,紅色表示光子吸收部位(高動態(tài)電感區(qū))； (d) 用于MKID光子計數(shù)實驗的IQ-mixer零拍測量系統(tǒng)Fig.7.Photon number resolution detection with one-pixel MKID at 1550 nm[164]： (a) Pulse response in the complex S21 plane； (b) 7-photon resolution detection,and the averaged frequency and dissipation pulse responses in the time domain； (c) A MKID,the red regime (high kinetic inductance) for photon absorption； (d) IQ-mixer Homodyne detection for photon counting.

性能優(yōu)良MKID的核心器件是高品質因數(shù)的四分之一波長超導諧振器.2013年,西南交通大學與南京大學合作首先制備了品質因數(shù)超過106的四分之一波長的鈮材料共面波導超導諧振器,并實現(xiàn)了6個諧振器的陣列集成復用測試[161].提高MKID光子探測靈敏度的另一個關鍵問題是尋找具有更高動態(tài)電感比(即動態(tài)電感值和磁電感值之比)的超導薄膜材料.經(jīng)過多年的探索,人們發(fā)現(xiàn)Al,TiN,InOx和 NbN 等都是不錯的候選者.2017 年,南京大學課題組在藍寶石基底上面用TiN材料制作了品質因數(shù)在105量級的共面波導超導諧振器[162].最近,Al2Ox也被證實是一種高動態(tài)電感的超導薄膜[163].同一年,基于 IQ-Mixer 測量技術,西南交通大學課題組和美國NIST團隊利用TiN/Ti/TiN的高動態(tài)電感光子響應,實現(xiàn)了能量分辨率達0.22 eV、在1550 nm波段可分辨7個光子的集總型MKID[164].

大陣列集成是MKID應用于成像探測的關鍵.2017年,紫金山天文臺團隊實現(xiàn)了Si基Al膜MKID的8 × 8像元集成[165],該探測器的等效噪聲功率達到 10—17W/Hz1/2量級.隨著制作工藝的日趨完善和實際運用的需要逐步增多,該團隊與荷蘭Delft大學及日本理化學研究所合作,進一步研制了1024像元的超導MKID陣列探測器芯片.相對于其他超導光子探測器,MKID的大陣列集成工藝雖然比較簡單： 一般僅需要一次或幾次光刻即可完成制作,但是由一條傳輸饋線實現(xiàn)不同單元器件的讀取可能會遇到某些MKID的頻率相互重疊碰撞的問題,導致不能對MKID單元器件的精確識別,從而影響器件的使用率.2017年,西南交通大學課題組和美國NIST團隊合作實現(xiàn)了單片99個MKID的陣列集成[166],并發(fā)展了一種頻率微調技術[167]克服這一困難.其要點是,采用一塊點焊有LED燈的印刷電路板,使LED燈一一對應陣列中每個MKID的物理位置,依次對每個MKID進行標定以測試其頻率偏移情況.對頻率重疊的MKID進行二次加工微調,從而顯著減少了MKID陣列的頻率碰撞現(xiàn)象,極大提升了陣列中MKID陣列元件的使用率.

MKID 與 SNSPD,SIS,TES 探測器等都是目前超導單光子探測器領域中的研究熱點.其中,MKID以其易加工、易集成、讀取線路簡單、可實現(xiàn)光子計數(shù)的優(yōu)勢而受到的關注,并有望應用于天文探測、量子信息處理和量子精密測量等各相關領域.不過,相比于 SNSPD,盡管其片上探測的量子效率較高且具有光子數(shù)分辨能力,但其響應速度較慢； 相比于TES探測器,其響應信號的讀取電路相對簡單、響應速度較快,但量子效率不高； 相比于SIS探測器,其制備工藝相對簡單,但響應速度不高.因此,融合這幾種探測器的優(yōu)缺點,獲得綜合性能優(yōu)越的探測器將成為未來超導光子探測器研發(fā)的重點.就MKID本身而言,揭示其噪聲的物理機理,找尋其有效的抑制手段,從而顯著提高其探測效率； 尋找超導轉變溫度更高、動態(tài)電感比值更大的器件材料； 以及器件的大規(guī)模陣列集成等都是近期需要關注的研究課題[168].

3.7 高溫超導太赫茲技術

太赫茲(Terahertz,THz)波是指頻率范圍在0.1—10 THz之間的電磁波,其具有寬頻帶、透射性強、瞬態(tài)和“指紋”等特性.太赫茲波的獨特電磁特性使其在通訊、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測和材料科學等領域都有非常可觀的應用前景[169].由于缺乏有效的信號源和檢測手段,太赫茲技術的發(fā)展一度發(fā)展緩慢.利用超導太赫茲器件可以有效地產(chǎn)生和檢測太赫茲波,推動了太赫茲技術的發(fā)展.超導在太赫茲領域的應用方向主要有超導太赫茲探測、超導太赫茲源及超導太赫茲調制等.基于低溫超導器件的太赫茲探測技術,如前面介紹的超導SIS探測器、超導HEB、超導TES和超導KID等,已經(jīng)成為該波段靈敏度最高的探測器.但受限于低溫超導材料的工作溫度和能隙等限制,如SIS探測器,其上限工作頻率僅略高于1 THz,而基于高溫超導材料的超導太赫茲器件的探測頻率要遠高于1 THz,是未來的發(fā)展方向之一.

在超導太赫茲源方面,利用人工制備的低溫超導JJ陣可以實現(xiàn)并檢測到太赫茲輻射[170],但其輻射功率較小且對制備工藝要求較高.而通過高溫超導BSCCO本征約瑟夫森結陣制備的太赫茲輻射源具有工作溫度高、輻射功率較大和輻射頻率連續(xù)可調范圍大等優(yōu)點而受到廣泛的關注和研究[171].目前BSCCO太赫茲輻射源的輻射頻率范圍可達0.1—2.5 THz,最大輻射功率接近 1 mW[172].

在超導太赫茲調制方面,低損耗、易調控的超導材料與人工電磁超材料的有效結合,可以應用于太赫茲主動功能器件(有源功能材料)的研究.工作于太赫茲頻段的超導超材料是一種有效的超導太赫茲調控器件.目前超導超材料的工作溫度已經(jīng)由液氦溫區(qū)提高到液氮溫區(qū)[173],并實現(xiàn)了超過80%的調制深度和接近1 MHz的調制速度,表現(xiàn)出良好的調制性能[174,175].

目前,國內的科研單位和高校開展了廣泛而深入的超導太赫茲技術研究,其研究方向覆蓋了超導太赫茲探測、超導太赫茲源及超導太赫茲調制等方面.在超導太赫茲探測技術方面,南京大學超導電子學研究所在超導HEB和高溫超導約瑟夫森探測器上開展了器件制備和測試技術等方面的研究,測得的超導HEB作為直接檢測器時的噪聲等效功率為1.6 × 10—12W/Hz1/2[176],另外在高溫超導YBCO 雙晶結陣列混頻器上實現(xiàn)了高達154次的諧波混頻[177].

在超導太赫茲輻射源方面,南京大學超導電子學研究所創(chuàng)新制備工藝方法及解決導熱等問題,實現(xiàn)了BSCCO太赫茲輻射源的性能提升[172],測得的最大輻射功率接近1 mW,頻率可調范圍為0.1—2 THz[178],并首次實現(xiàn)了液氮溫區(qū)的太赫茲輻射[179].在應用方面,他們利用頻率可調的BSCCO源測量了氨氣和水蒸氣的太赫茲吸收光譜,測得的最小吸收線寬可達 5 MHz[180].另外,他們也把高溫超導BSCCO太赫茲源與高溫超導YBCO雙晶結檢測器結合,研制了高溫超導太赫茲集成接收機[181],為未來超導集成接收機往高溫超導發(fā)展提供了思路.

在超導太赫茲調制器方面,南京大學超導電子學研究所利用NbN超導薄膜制備太赫茲超材料,實驗測得0.507 THz處的傳輸系數(shù)高達到0.98,并實現(xiàn)了80.6%的調制深度[182],顯示出優(yōu)越的低插損和高開關比特性.他們還設計了電控超導超材料太赫茲調制器,在透明窗口處可以實現(xiàn)45%—79.8%的調制深度,在外加正弦電壓控制信號的作用下,實現(xiàn)了接近1 MHz的調制速率[174].

4 超導數(shù)字電路

超導數(shù)字電路采用超導材料和JJ作為電路元件,具有比半導體電路低1—2個數(shù)量級的低功耗、小尺寸和極低的信號損耗(或噪聲溫度)等優(yōu)點,從最初以超導計算機為應用牽引的研究,發(fā)展出射頻信號處理、超導量子計算控制讀出電路等更廣泛的應用,成為后摩爾時代微電子領域的前沿陣地之一.

4.1 超導約瑟夫森參量放大器

參量放大,顧名思義,抽運信號含時改變系統(tǒng)中某一個參數(shù),從而驅動系統(tǒng)放大輸入的信號.現(xiàn)代科學中,參量放大器在各種物理系統(tǒng)中實現(xiàn),比如電路系統(tǒng)[183]、光學系統(tǒng)[184]、納米力學系統(tǒng)[185]、超導約瑟夫森結電路系統(tǒng)[186,187]等.20世紀80—90年代,IBM的科學家Pedersen等[186]和貝爾實驗室的科學家Yurke等[187]率先開展了超導約瑟夫森參量放大器 (Josephson parametric amplifiers,JPA)研究,并利用JPA成功演示了真空漲落噪聲的壓縮[187].1990年貝爾實驗室的JPA噪聲溫度已經(jīng)接近量子極限.

噪聲溫度是超導約瑟夫森參量放大器關鍵指標之一.JPA可以工作在稀釋制冷機的最低溫度下,其噪聲主要來自微波真空漲落的量子噪聲和測量系統(tǒng)的不完美的噪聲屏蔽.目前最好性能的參量放大器一般都接近量子極限,當JPA工作在簡并模式下,并不引入額外頻率的真空漲落,原則上可以不增加額外噪聲.

在一定增益下,帶寬是JPA一個重要指標.在增益達到20 dB時,基于諧振模式的JPA,帶寬一般在幾個MHz到幾十個MHz(圖8)[188-192].引入阻抗變換降低JPA的等效環(huán)境阻抗,降低等效品質因數(shù)[193],或者利用阻抗變換器改善增益曲線洛倫茲依賴關系[194],可以實現(xiàn)幾百MHz的參量放大器的帶寬.區(qū)別諧振腔模式JPA,約瑟夫森行波放大器中,微波信號隨著信號傳播而被放大,其帶寬可以超過3 GHz.

飽和功率是參量放大器另外一個核心指標,它也決定了JPA的動態(tài)范圍.JPA的放大主要利用SQUID等約瑟夫森電感的非線性項提供不同頻率模式的相互作用,然而非線性項同時引起頻率的移動和諧振腔內部的分叉.對于諧振腔模式的JPA,可以通過引入SQUID陣列[192]或者超導非線性非對稱電感元件[195]來減少高階非線性項的比例,從而提高飽和功率.行波放大器因為沒有光子的存儲,目前基于約瑟夫森結的行波放大器的飽和功率最高,達到近—100 dBm,沒有約瑟夫森結的參量放大器可以實現(xiàn)更高的飽和功率[196].

由于需求的缺乏,JPA在20世紀90年代并沒有引起廣泛的興趣.隨著超導量子計算的發(fā)展,自2007年起,JPA再次引起了學術界的極大興趣.2007—2010年科學家開發(fā)了多種增益高、噪聲低的參量放大器[188-192].這個時期JPA多數(shù)采用反射諧振腔模式,并在諧振腔內放入約瑟夫森結等非線性元件.由于采用了反射諧振腔模式,這類放大器容易實現(xiàn)較大的增益,制備也相對較為容易,但受諧振器線寬的影響,帶寬一般在10 MHz以內,且工作時需要環(huán)形器.工作頻率多數(shù)可以隨著外加磁場的變化而調節(jié),調節(jié)范圍往往超過 1 GHz.利用JPA工作于簡并模式,科學家演示了微波頻率的真空噪聲壓縮[188].采用JPA作為前級放大器,科學家實現(xiàn)了實時量子跳躍[197],高保真度的單發(fā)測量[198],量子反饋[199]等有趣量子信息實驗.

然而諧振腔模式的JPA的帶寬普遍在幾個MHz,無法同時測量多個超導量子比特.為了進一步提高JPA的帶寬和飽和功率等性能,各國科學家百花齊放,采用各類集總電路諧振器和非線性元件,包括 SQUID,SNAIL,SQUID 結陣列等,把參量放大器帶寬從幾個MHz提高到幾十MHz.2015年,加州大學圣巴巴拉分校和印度TIFR分別開發(fā)了各自阻抗變換的參量放大器,帶寬達到近600 MHz,飽和功率可以達到—110 dBm左右.采用寬帶參量放大器,國內外知名研究小組同時實現(xiàn)10個以上超導量子比特的讀出[200].

為了解決JPA帶寬和飽和功率的問題,行波放大器是一個最佳解決方案.2012年加州理工大學的研究小組利用超導金屬薄膜的動力學電感作為非線性元件,制備超導傳輸線結構的行波放大器[196],帶寬達到 2.5 GHz,增益～10 dB,飽和功率可以達到—70 dBm,理論上可以達到—10 dBm.該器件在天文觀測等領域有很高的潛在應用價值.2015年,加州大學伯克利分校和麻省理工學院聯(lián)合開發(fā)了基于約瑟夫森結的行波參量放大器[201],該放大器具有最好的帶寬(＞3 GHz)和飽和功率(—99 dBm),噪聲溫度接近量子極限,代表了國際上JPA的最高性能.該器件有望成為一個通用器件,廣泛應用于微弱信號極低溫微波測量實驗中.

由于我國超導量子計算發(fā)展晚于美國、歐洲和日本,因此我國的參量放大器的開發(fā)也晚于國際頂級的研究小組.阻抗變換的參量放大器帶寬較寬,工藝相對行波參量放大器簡單,因此被國內研究小組廣泛使用.2017年中國科技大學-浙江大學-物理所團隊利用阻抗匹配參量放大器實現(xiàn)了10超導量子比特的測量,并實現(xiàn)了當時最大的超導量子比特糾纏態(tài)[200].2016年起,清華大學使用參量放大器實現(xiàn)超導量子比特單發(fā)測量,并應用于各種超導量子信息實驗中[202].已報道的文獻中,物理所、中科大、浙江大學聯(lián)合團隊實現(xiàn)了阻抗變化的參量放大器,放大器帶寬約 300—400 MHz[203,204].本源量子公司也提供阻抗變化的參量放大器產(chǎn)品,帶寬約為400 MHz.清華大學、南京大學、北京量子院、南方科技大學等多個國內機構都制備了阻抗變化的參量放大器.目前,國內開發(fā)的參量放大器的非線性元件一般是基于雙角度蒸發(fā)的Al超導約瑟夫森結.2020年,上海微系統(tǒng)所實現(xiàn)基于Nb基三層膜的磁通驅動參量放大器.國內不少單位嘗試開發(fā)行波參量放大器,但是行波參量放大器對于平行板電容和約瑟夫森結均勻性要求較高,目前國際較為成功的行波放大器來自MIT林肯實驗室,是基于Nb三層膜結構實現(xiàn)的.

圖8 三種諧振腔模式參量放大器 (a) SQUID 陣列諧振器腔的參量放大器 [188]； (b) 磁通驅動參量放大器[189]； (c) 約瑟夫森參量轉換器[190]Fig.8.Three resonance-type Josephson parametric amplifiers： (a)Josephson parametric amplifier based on a SQUID array resonator[188]； (b) flux-driven Josephson parametric amplifier[189]； (c) Josephson parametric converter[190].

4.2 超導集成電路

超導集成電路 (integrated circuit,IC)是一種基于JJ的集成電路,是對半導體IC在器件層面的顛覆.JJ可以被看成一種通過調控外加電流等信號,實現(xiàn)在零電阻態(tài)和非零電阻態(tài)之間切換的兩端子開關器件.它具備特征開關速度高和功耗低的特性,且可與超導傳輸線直接連接,實現(xiàn)超導芯片上接近光速的高速低損耗信號傳輸.因此,它的發(fā)明迅速引發(fā)了一系列基于JJ的超導IC電路的研究.初期超導IC電路研究的主體思路是模仿晶體管(或真空管)電壓輸出的概念,而這類電路被通稱為約瑟夫森鎖存邏輯電路.經(jīng)過20年的研究,鎖存邏輯電路實現(xiàn)了基于全Nb制造技術的4位超導微處理器和存儲器的芯片與封裝測試[205].同時,所積累的Nb/Al-AlOx/Nb約瑟夫森結和全Nb超導電路技術奠定了當今超導大規(guī)模集成工藝的基礎,也為SQUID、SIS混頻器等超導傳感器、探測器的應用做出了重要貢獻.

20世紀80年代中期,當時在莫斯科國立大學的 Likharev,Semenov和 Mukhanov三位科學家發(fā)明了一類新型超導數(shù)字電路： 快速單磁通量子(rapid single flux quantum,RSFQ)電路[206,207],由此形成了超導IC的第二代邏輯電路： 單磁通量子 (single flux quantum,SFQ)電路.SFQ 電路雖然依舊利用JJ為開關,但是它不再模仿半導體的電平信號模式,而是利用超導環(huán)路中獨特的磁通量子化效應,根據(jù)一個超導環(huán)路中是否有磁通量子來定義數(shù)字電路的“1”和“0”態(tài).這一改變使 SFQ 邏輯電路的速度相比鎖存邏輯電路而言實現(xiàn)了100倍以上的提升： 最高實測SFQ邏輯門時鐘頻率達770 GHz[208].

RSFQ電路是基于SFQ發(fā)展的第一種邏輯電路.目前SFQ電路家族已經(jīng)陸續(xù)增加了ERSFQ,RQL,nSQUID,AQFP 等多種新型電路.在延續(xù)最初鎖存技術時期的超導微處理器研究之外,也逐漸發(fā)展出超導高速模數(shù)轉換器(analog-to-digital converter,ADC)及配套數(shù)字信號處理器、超導量子計算控制電路、低溫超導探測器讀出電路、可逆運算等多種新型的應用領域的研究.在超導計算領域,2018 年,美國 Northrop Grummam 公司和 Hypres公司分別實現(xiàn)了1.95 GHz的16位RQL超導算術邏輯運算器 (arithmetic and logic unit,ALU)和 2.8 GHz的 8位 ERSFQ超導 ALU.日本的九州大學和名古屋大學于2020年實現(xiàn)了32 GHz時鐘頻率、6.5 mW功耗、2.5 TOPS/W的門級流水線 4位 RSFQ超導處理器[209].在 ADC領域,美國Hypres公司自2005年起已實現(xiàn)了多代基于JJ和SFQ的模數(shù)轉換混合電路為核心芯片的商用化射頻接收系統(tǒng)[210,211].在超導量子計算領域,超導RSFQ電路是加拿大D-Wave公司自首臺售出的超導量子計算機“D-Wave One： Rainier”起的核心控制電路[212].近期利用多種SFQ電路對超導量子比特進行控制和讀出及對SNSPD等低溫探測器陣列讀出的研究不斷涌現(xiàn)[213-215].RSFQ的發(fā)明人之一Semenov教授于2003年發(fā)明了nSQUID邏輯電路,隨后于2011年實現(xiàn)了單個門1/3kBTln2功耗的nSQUID電路測試[216],驗證了利用nSQUID實現(xiàn)經(jīng)典狀態(tài)可逆計算的可行性.日本緊隨其后于2011年開始AQFP電路在低功耗及量子控制領域的研究,并于近期公布了單個門 7 0kBTln2 功耗的AQFP電路測試結果[217].

當今SFQ技術已經(jīng)形成了工藝、設計、封裝、測試和系統(tǒng)集成等多節(jié)點的技術鏈.技術鏈條中各節(jié)點及節(jié)點連接的綜合發(fā)展方可推動SFQ技術的持續(xù)進步,這也使得SFQ研究的技術門檻及成本的日益增高.正因如此,很長一段時間國際上只有美國和日本掌握了超導大規(guī)模集成電路技術,而我國在此領域長期處于空白.近年,隨著我國的綜合實力及科技力量的發(fā)展提升,開始在超導集成電路領域進行部署與投入,正在步入高速發(fā)展的階段.

在超導IC工藝方面,提升超導電路集成度規(guī)模的主要有兩種手段： 增加金屬層數(shù)和減小電路中各電子元器件的尺寸.而提升超導電路速度,需提高約瑟夫森結臨界電流密度Jc.國際上掌握最高工藝水平 (Jc為 20 kA/cm2,金屬層大于 9 層,片上結集成度大于106JJs/cm2)的超導IC工藝線只有兩家單位： 美國MIT林肯實驗室和日本AIST.上海微系統(tǒng)所從2012年開始布局超導器件與電路研發(fā)平臺,為滿足低溫超導SQUID研制需求,開發(fā)了Jc為100 A/cm2,金屬層為2層的超導器件工藝.自2016年啟動超導SFQ電路所需的超導集成工藝研發(fā),于2018年開發(fā)了SIMIT Nb03超導大規(guī)模IC標準工藝(圖9),其核心技術指標：Jc為6 kA/cm2,片上結集成度為 104JJs/cm2,金屬層為4層.該SIMIT Nb03工藝及系列相關工作已被2020年IRDS[218]收錄.

在超導IC設計方面,為了提升電路集成度和性能,必須建立高可靠性的單元庫和超導IC專用電子設計輔助 (electronic design automation,EDA)工具,并針對SFQ電路特性優(yōu)化大規(guī)模超導IC的架構.單元庫的可靠性提升需通過提高工藝偏差閾值范圍、提升時序精度、降低版圖單元尺寸及增加版圖種類來實現(xiàn).國際上綜合性能最優(yōu)的單元庫為日本ISTEC/AIST的ADP2工藝單元庫(電路圖約 20 種,版圖尺寸單元為 30 μm,版圖數(shù)量不公開)[219].上海微系統(tǒng)所已經(jīng)初步確立了設計-工藝關聯(lián)的超導SFQ工藝過程控制芯片的設計及追蹤反饋體系,以此為基礎開發(fā)了SIMIT Nb03的PDK和RSFQ單元庫.該單元庫由電路圖庫、時序庫、Verilog模型庫、版圖庫及符號視圖庫組成,共包含電路圖20余種,版圖逾100種(版圖尺寸單元為30 μm).所有單元均設計了低頻功能測試電路并通過了實測驗證.

圖9 SIMIT Nb03 工藝下 (a) 電路 TEM 剖面圖； (b) Nb/Al-AlOx/Nb 約瑟夫森結 TEM 剖面圖Fig.9.In SIMIT Nb03 process： (a) Sectional view of the TEM image of superconducting IC； (b) sectional view of the TEM image of Nb/Al-AlOxx/Nb JJ.

有效地調用單元庫,可提高大規(guī)模IC設計的效率與良率,因此專用EDA工具不可或缺.而由于近幾年來超導IC集成度的高速發(fā)展,超導EDA也成為國際上該領域的研究熱點.目前上海微系統(tǒng)所基于開源PSCAN2軟件二次開發(fā)了電路圖庫優(yōu)化及時序庫提取專用軟件,定制開發(fā)了布局及時序同步驗證的靜態(tài)時序分析軟件及多種設計流程接口自動化軟件.

在超導SFQ微處理器架構設計優(yōu)化方面,中國科學院計算技術研究所(簡稱為中科院計算所)提出了一種全并行的8位處理器、一種4-bit bit-slice體系結構的32位矩陣乘法器和一種專用于SFQ處理器的自適應分布式時鐘策略,并為64位CPU提出了一種16-bit bit-slice體系結構的算術邏輯單元和移位運算器,相關研究內容也已被2020年IRDS收錄.

利用工藝和設計技術的進步不斷提升片上電路規(guī)模的同時,從系統(tǒng)層面可通過多芯片封裝的方式進一步提高SFQ電路的規(guī)模與性能.上海微系統(tǒng)所基于低溫、高速、低延遲等設計原則,正開展基于引線鍵合和倒裝焊兩種互連方式的多芯片混合集成研究.目前基于PbIn合金的引線鍵合技術已可實現(xiàn)芯片間超導無損耗連接； 通過蒸發(fā)鍍膜、激光熔噴等方法制備倒裝焊凸點,有望實現(xiàn)片間高頻 (≥ 100 GHz)互連.

SIMIT Nb03的RSFQ單元庫及超導大規(guī)模IC開發(fā)所需的EDA工具均集合至上海微系統(tǒng)所的超導SFQ專用設計平臺.基于此設計平臺,上海微系統(tǒng)所、中科院計算所、電子科技大學等多家單位分別開展了超導SFQ電路的設計,并由上海微系統(tǒng)所完成制備、封裝及測試驗證.現(xiàn)已建立了設計-制備-測試各節(jié)點的正反饋合作研發(fā)流程,實現(xiàn)了包含移位寄存器、全加器、偽隨機數(shù)發(fā)生器等百結級到8位ALU等的千結級規(guī)模,實測電路工作頻率大于20 GHz的RSFQ及ERSFQ電路的驗證.

5 超導電路計量應用技術

計量是關于測量及其應用的科學.自約瑟夫森效應發(fā)現(xiàn)起,超導電路就和計量科學建立了緊密聯(lián)系.在大于臨界電流的直流電流偏置下,約瑟夫森結兩端會產(chǎn)生大小為U的直流電壓,結內會產(chǎn)生頻率f= 2eV/h的交變超導電流,其中,e和h分別為基本電荷和普朗克常數(shù).如果同時用頻率為f0的微波輻射約瑟夫森結,在其I-V曲線上會出現(xiàn)一系列Shapiro臺階,臺階對應的電壓值精準正比于臺階數(shù)、約瑟夫森常數(shù)及輻照的微波頻率,而與約瑟夫森結所在環(huán)境的溫度、內部結構及材料類型等因素無關.

由于微波頻率能以很高準確度測定,交流約瑟夫森效應被用于建立量子電壓基準,高準確度復現(xiàn)電壓量值.第77屆國際計量委員會決定,自1990年1月1日起,采用基于約瑟夫森結陣器件的量子電壓基準取代原來的韋斯頓標準電池電壓實物基準,并統(tǒng)一新基準中所涉及的約瑟夫森常數(shù)為483597.9 GHz/V.這種基于宏觀量子現(xiàn)象和基本物理常數(shù)的計量方法具有更高的穩(wěn)定性,將電壓復現(xiàn)準確度提高了3個數(shù)量級.目前,傳統(tǒng)約瑟夫森結陣器件已應用在全球60多個國家的直流量子電壓基準中.

為了實現(xiàn)輸出電壓可調,美國國家標準與技術研究院 (National Institute of Standards and Technology,NIST)最早提出可編程約瑟夫森電壓標準 (programmable Josephson voltage standard,PJVS)的概念.其工作原理與數(shù)模轉換器類似,采用一組二進制排列的約瑟夫森結子陣列構成串聯(lián)的約瑟夫森結陣,每個子陣列有獨立的偏置電路,通過開關選擇驅動的約瑟夫森結數(shù)目.為了保證每個子陣列能夠被準確的偏置在選定的Shapiro臺階上,NIST 使用 Nb/NbxSi1—x/Nb 材料制備了集成度達到33萬個結的過阻尼約瑟夫森結陣器件,率先實現(xiàn)—10 V至+10 V范圍的可編程電壓輸出.目前,美國NIST和德國聯(lián)邦物理技術研究院均開發(fā)了商用化的PJVS系統(tǒng).其中,美國NIST已將PJVS系統(tǒng)推廣至包括美國海軍實驗室、NASA在內的多個研究機構,在高分辨率電壓表的線性度校準、正弦信號的差分采樣校準、量子功率等領域發(fā)揮了重要作用.

美國NIST的Hamilton等還提出了一種脈沖驅動的交流約瑟夫森電壓標準(AC Josephson voltage standard,ACJVS).與可編程量子電壓標準不同,ACJVS采用調制的高速電流脈沖序列來驅動約瑟夫森結陣.當電流脈沖幅度在Shapiro臺階范圍內時,不論電流脈沖的幅度如何變化,均會驅動約瑟夫森結輸出時間積分面積恒等于h/2e的電壓脈沖.ACJVS合成電壓波形的過程分為3個步驟：首先利用Δ-∑調制,將期望合成的波形調制成一系列數(shù)字代碼,接著將數(shù)字代碼存儲到脈沖序列發(fā)生器并轉換成相應的高速脈沖序列,最后利用高速脈沖驅動約瑟夫森結陣輸出包含待合成波形信息的量子電壓脈沖序列.這些量子電壓脈沖是Δ-∑調制數(shù)字碼型的完美復現(xiàn),經(jīng)超導濾波器低通濾波,即可得到所需合成的電壓波形.近年來,交流量子電壓標準被用于測定玻爾茲曼常數(shù)k,在2019年國際單位制基本單位重新定義中扮演了非常重要的角色.

中國計量科學研究院近幾年一直在致力于研制交直流電壓基準用基于Nb/NbSi/Nb材料的大規(guī)模集成約瑟夫森結陣列器件[220,221].經(jīng)過多年努力,已攻克量子電壓器件所需超導約瑟夫森結大規(guī)模集成關鍵技術,將約瑟夫森結物理集成度提升至40萬量級； 攻克基于超導材料的芯片上微波電路關鍵技術,實現(xiàn)了數(shù)萬結微波功率一致[222,223].核心技術的突破使我國成為繼美、日、德后第4個實現(xiàn)量子電壓器件的國家.具體進展包括： 成功研制出2 V 可編程量子電壓器件包含 7 萬多個約瑟夫森結,在 19 GHz 微波輸入下,可實現(xiàn)約 2.2 V高精度交直流量子電壓輸出； 成功研制雙通道小電壓結陣器件[224],該器件可工作在雙微波頻率下,通過差分法可輸出最小1 μV的量子電壓,不確定度達到了 10—9V.研制成功量子電壓噪聲源器件[225],該器件可以合成量子贗噪聲信號用于約瑟夫森噪聲溫度計系統(tǒng).正在研制脈沖驅動約瑟夫森結陣器件,用于交流量子電壓系統(tǒng).

中國計量科學研究院于1993年和1999年建成1 V和10 V直流量子電壓基準裝置,并分別于1995年和2013年參加了國際計量局組織的現(xiàn)場關鍵國際比對(依據(jù)國際關鍵比對協(xié)議BIPMK10.a 和 BIPM-K10.b).1 V 和 10 V 的比對結果的一致性和不確定度均為國際領先,與國際計量局等效一致性優(yōu)于2 E-10.中國計量科學研究院于2010年和2015年先后建立了1 V和10 V量級PJVS.在脈沖驅動的ACJVS方面,研制出一套包含12800個約瑟夫森結的ACJVS裝置用于合成毫伏量級的交流電壓,并且提出了一種新型的波形合成方法,使感應電壓下降了近3個數(shù)量級[226].2020年,首次在國內實現(xiàn)了1 V交流量子電壓信號的合成[227].

在玻爾茲曼常數(shù)測量方面,中國計量科學研究院于2012年研制出一套包含20個約瑟夫森結,可合成微伏量級量子電壓的量子電壓噪聲源裝置用于玻爾茲曼常數(shù)的測量[228].到2018年,實現(xiàn)玻爾茲曼常數(shù)的精確測定,相對合成標準不確定度達到 2.7 × 10—6,為全球最佳測量結果[229].

6 結 論

超導弱電應用在近二三十年取得了突破性進展.高溫超導微波器件及子系統(tǒng)已經(jīng)在移動通信、雷達和一些特殊通信系統(tǒng)中取得了規(guī)模化應用.包括SQUID、超導TES、超導SIS混頻器、超導HEB混頻器、超導SNSPD和超導MKID等在內的超導傳感器/探測器實現(xiàn)了接近量子極限的靈敏度,成為天文觀測、地球物理、量子信息技術和生物醫(yī)學等領域的前沿推動技術.超導JPA已經(jīng)成為超導量子信息重要器件,是實現(xiàn)超導量子比特的單發(fā)非破壞性測量的關鍵器件.超導SFQ集成電路技術可用于雷達、通信系統(tǒng)、超導計算機、可為后E級超級計算提供技術方案,為規(guī)模化超導量子計算提供核心技術.在計量科學中,交流約瑟夫森效應被廣泛用于建立量子電壓基準.近年來,受益于國內基礎科研條件的進步,以及眾多大科學項目的帶動,我國超導弱電應用技術研究取得了明顯進步和杰出成績,在大多數(shù)領域走到了世界前列.當前,量子信息技術在全世界已經(jīng)掀起巨大的熱潮,已成為世界各國戰(zhàn)略競爭的焦點之一,在未來國家科技發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)培育、國防和經(jīng)濟建設等領域,有望產(chǎn)生基礎共性乃至顛覆性重大影響.而無論是在量子計算、量子通信還是量子精密測量方面,超導電子學都扮演重要角色,同時量子熱潮也會大力推動超導電子學的發(fā)展.我們期待國內超導電子學技術的研究在未來能取得更多出色成果,成為世界相關研究領域的引領者.