新兴技术领域的国际标准化之路——以超导电子学研究参与IEC工作为例-上海赋同科技有限公司

新兴技术领域的国际标准化之路——以超导电子学研究参与IEC工作为例

2020-04-28 08:31

文/尤立星1  李洁2

 

未来的信息技术对极高灵敏度探利技术和高速 、 低功耗信息处理技术提出了越来越高的要求, 因此半导体技术已经无法满足未来信息科技发展的需求。 超导电子器件与电路在灵敏度、速度和功耗方面存在独特优势,2017 年, 由国际半导体技术路线图 ( ITRS ) 发展而来的国际器件与系统路线图 ( IRDS ) 已将超导电子学作为新兴应用技术的研究领域之一。

 

 

新兴技术领域的超导电子学

 

超导是材料在特定温度以下突然进入无电阻状态的一种奇特物理现象,最早由荷兰科学家Onnes于1911 年在金属汞( Hg ) 中发现。 超导电子学的核心理论是1962 年英国科学家约瑟夫逊提出的约瑟夫逊效应。 近百年以来, 先后有11位科学家共6次因其在超导相关领域的杰出成就获得诺贝尔物理学奖。百年超导研究已经取得了很多重要的进展,先后发现了逾千种超导材料;对超导效应的认识也经历了从零电阻、抗磁性到磁通量子化和约瑟夫逊效应的不同阶段。 而基于零电阻特性、约瑟夫逊效应、磁通量子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,并在应用方面已经取得多项突破性进展。

 

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,超导单磁通量子电路 SFQ ( Single Flux Quantum ) 是基于约瑟夫逊效应和磁通量子化效应的低温超导集成电路。 它使用皮秒级脉冲实现经典逻辑位,是对半导体集成电路在器件层面上的颠覆,具有极低位操作功耗和极高速度的特点。 半导体数宇电路已经进入亚10 nm 节点 , 正在逼近物理极限,而速度和功耗成为难以突破的瓶颈。 超导数字电路已经成 为后摩尔信息时代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, 它是以约瑟夫逊结为基本栽体的量子两能级系统。超导量子比特具有可与传统的微电子加工平台兼容、可扩展性强的优势,是最有前景的实现量子计算机的方案之一。Google最新公布实现的量子称霸 (Quantum Supremacy)或量子优势(Quantum Advantage) ,就是指实现 了逾50个超导量子比特。国际上从事超导电子学研究已经有 逾50年的历史。美国和日本等已具有几条非常成熟稳 定的超导器件与电路工艺线。美国著名的研究机构包括了MIT (含林肯国家实验室)、NIST、JPL等, 还有专门从事超导电路研发的高科技公司HYPRES。 日本主要的研究机构包括了AIST和NICT等。此外,欧洲也有很多大学和研究机构在开展超导器件与电路的研发, 比如德国的PTB。最近几年,随着量子信息技术的兴起,很多大公 司加入到超导量子计算的研发行列,包括Google、IBM和Microsoft等等。

 

 

目前我国从事超导电子学研究的主要机构包括中科院(上海微系统与信息技术研究所、紫全山天文台、物理所等)、高校(南京大学、北京大学、 清华大学等)以及一些行业研究所(中国计量科学院、中电集团等 ),在 传感器和探测器研究方面已经具有一定的积累,部分成果已达到国际先进水平。比如中国科学院上海微系统与信 息技术研究所就有一条具有国际先进水平的超导电子器件与电路工艺线, 自主研发的超导单光子探测器件、超导量子干涉器件和电路等已经达到了国际先进水平,并实现量子信息、地球物理探测等多项具有国际领先水平的应用演示。又如:清华大学、中科院物理所等研制的高温超导滤波器已经实现了雷达和空间应用。

 

国际超导电子学标准化情况

 

1989年7月,国际电工委员会超导技术委员会 (IEC/TC90)正式成立,负责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、设备和器件的性能及检测规范。IEC/TC 90的国内技术对口单位是中国科学院物理研究所,具体负责的是全国超导标准化技术委员会( SAC/TC265 ) 。SAC/TC 265于2003年8月成立,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查工作;二是组织有关专家参与IEC/TC90开展的国际标准制修订活动。SAC/TC265目前是第二届 ,委员共计33名,其中属于超导电子学领域的有11名 ,占总数的1/3。这些委员未自于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、中国计量科学院等机构。

 

 

实际上,早在SAC/TC265 成立之前 ,在1999年我国就发布了超导电子学领域的笫一个国家标准GB/T17711- 1999《钇钡铜氧 (123相)超导薄膜临界温度 Tc 的直流电阻试验方法》。这个标准的制定是由国家超导技术联合研究开发中心组织实施的,进行了由4个单位参加的为期两年的循环比对测试,完全由我国自主建立,起草人中很多是超导电子学领域久负盛名的专家,比如北京大学的戴远东教授。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以采用IEC国际标准为主。目前我国已经发布超导领域的国家标准18项,但属于超导电子学领域的只有3项。

 

2015年起,由 SAC/TC265提议,在全国超导学术研讨会上增设了“超导标准与测试技术专题”。目前, 讨论会已经举办过三届,主题不但没有局限于超导标准,还包含了一些超导测试方法和测试技术等偏学术方面的议题,对超导电子学的标准化工作起到了一些宣贯作用。 值得欣慰的是,近年来,国内超导电子学领域参与标准化工作的热情不断提升,已经开始申报国家乃至国际标准新项目提案, 比如:2018年由IEC正式立项的,由上海微系统与信息技术研究所牵头的 首个超导电子学国际标准项目IEC61788- 22- 3:Superconducting (nano) strip photon detector - dark count rate。

 

 

另一方面 ,中国是IEC常任理事国,也是IEC/TC90的P成员国,因此有参加超导国际标准制修订的权利和义务。如前所述,IEC/TC90各工作组(WG) 通常在一些超导领域国际知名学术会议期间,利用傍晚的时间段召开工作会议,讨论国际标准制修订相关问题。我国目前有24名专家参加各个工作组(超导电子学领域6 名 ), 在标 准制修订工作会上代表中国发表意见。此外,由SAC/TC265组织国内专家参加国际标准制修订过程中的新项目 提案 ( NP ) 、委员会草案 ( CD )  、委员会投票草案( CDV ) 、国际标准最终草案( FDIS ) 共4 轮文件的投票和意见反馈,对IEC投票文件的反馈率达100% , 并且每次都附有修改意见,特别是对比较关键的NP和CDV文件,绝大多数意见和建议被各WG所接受。由于对IEC国际标准化工作的突出贡献,近年来SAC/TC265有3名委员分别荻得2015年、2018 年、2019年的IEC1906奖。

 

结语

 

超导电子学目前还处于从技术到产业化的转化过程中。尽管目前超导电子学领域的商业市场还十分有限,但是 以量子信息为代表的新兴技术领域 的发展和产业化却非常迅速。我国的科技创新2030重大项目计划已将量子通信和量子计算机列为重大专项,设子国家实验室的建设也已部署。

 

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过程中扮演不可或缺的重要角色,并有可能形成较大的市场规模。 以我国牵头的国际标准IEC61788-22-3超导单光子探测器 ( SSPD ) 相关技术为例,目前S SPD已经成为量子信息领域不可或缺的关键技术。以上海微系统所为代表的我国科研机构在该领域的技术达到国际先进水平,尤其在NbN( 氮化铌 )材料SSPD探测效率和暗计数等指标方面,已处于国际领先地位。自主创新 ,标准先行。我国超导电子学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贡献力量。

 

作者:1全国超导标准化技术委员会副主任委员、2018年IEC1906奖获得者;

        2全国超导标准化技术委员会委员兼秘书长、2019 年IEC1906奖获得者。

 

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