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量子通信太远超导技术已照进现实

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来源: 作者: 2019-04-22 16:49:37

[超导是一种物质在低温下体现出的特别现象,主要表现为电阻在一定的温度下完全消失,通常为特定温度下,变为零电阻,导电没有了任何阻力,无电阻、抗磁性,超导技术蕴藏的市场应用潜力巨大。]

在长篇科幻小说《3体》中,人类在外星人的帮助下才实现量子通信,让太空飞船与地球实时通讯。但《三体》中的智子实属作者的科幻想象,真实的量子纠缠并不是用来传递加密后的信息,而是应用于量子密钥分发。量子通信的核心并非改变通讯或者加密方式本身,而是提供一个更加安全的密码保密传输方式。中国科学院上海微系统与信息技术研究所超导实验室研究员尤立星博士告诉《第一财经》。

通常而言,信息的加密需要使用一连串数字组成的密钥确保安全,但在传输过程中若被窃听就可能被破译。而量子密钥具有不可克隆的特质,基于量子力学的测不准原理,如果密钥在传输过程中遭遇窃听,收发双方就会知道,从而放弃使用不安全的密钥。

作为新一代保密通信技术,量子保密通讯基于量子信息传输的理论绝对安全性,成为各国科研的热门领域之一。然而量子保密通信传输距离、码率与所采取的单光子探测器的性能密切相干。与近红外波段传统半导体单子探测器相比,中国科学院超导电子学卓越创新中心研发的超导纳米线单光子探测器(SNSPD),具有探测效率更高、暗计数率(所谓暗计数是单光子探测器的噪声评判指标,指杂散光和黑体辐射被单光子探测器认作有效光子的几率,这种误判被称作暗计数)更低的优势。

传统半导体单光子探测器探测效率低、暗计数高,量子通讯距离达到50公里可以用,但100公里就很难了,超导单光子探测器可以实现200甚至300公里。上海微系统与信息技术研究所副所长谢晓明博士向《第一财经》表示。作为量子通讯的核心元器件,SNSPD依托的是超导电子学微纳工艺技术。

超导是一种物质在低温下体现出的特别现象,主要表现为电阻在一定的温度下完全消失,通常为特定温度下,变为零电阻,导电没有了任何阻力,无电阻、抗磁性,超导技术蕴藏的市场运用潜力巨大。和已成熟的半导体集成电路相比,超导电子器件的工艺成熟度还不够,低温工作环境对超导运用提出了更加严苛的要求。上海微系统所已建成了国际领先的低温超导器件工艺平台,可以生产高性能的超导薄膜材料,实现高可靠性的微纳加工工艺和系统集成技术。

2014年,中科院上海微系统所与瑞士IDQuantique公司合作,正式推出了由上海微系统所研制的SNSPD器件产品,据悉这款只有3毫米见方的芯片售价约为1万欧元,相当于一辆家用汽车的价格。这成为我国首次出口超导电子器件,也是为数不多的核心高端元器件出口的实例,突破了国外的技术封锁。

量子通信以外,SNSPD器件运用于卫星激光测距等众多领域。卫星激光测距是基于光子飞行时间的激光雷达的一个重要运用。即利用安置在地面观测台站的卫星激光测距系统所发射的激光脉冲,跟踪观测人造地球卫星,以测定观测台站到卫星之间的距离,在天文学、地球物理学、大地测量、地震预报和国防等方面都具有重要意义。

据尤立星介绍,卫星激光测量的精度取决于探测器的一个叫做时间抖动的参数,即稳定度。超导探测器的时间抖动很小,可以让测距的精度从以往的cm精度提升到mm精度,几千、几万千米乃至更远的卫星和空间碎片都可以进行精准定位。

2015年,中科院上海微系统所和中科院上海天文台合作,在国际上首次利用SNSPD展开532nm波长的卫星激光测距,利用上海天文台佘山台站的60cm口径望远镜,双方合作完成了对距离台站3000千米国际联测激光相对论卫星LARES的测距,精度达8mm。这是继2013年美国NASA利用SNSPD开展1550nm波长卫星测距以后再次利用SNSPD展开卫星测距的报导。2016年初,经过进一步优化系统,测量能力取得进一步提升,上海天文台佘山台站已成功观测到近2万千米的俄罗斯Glonass卫星,精度约2cm.

与高深莫测的量子通讯、激光雷达、深空通讯相比,超导技术在医学方面的运用或许更接地气。由于超导电子器件具有高灵敏度、低噪声等优点,对疾病的初期诊断优势明显。例如在心脏疾病诊断技术上,心电图是最为广泛使用的一种诊断技术,但由于心脏磁场信号特别微弱,心电图技术所能得到的心脏电活动信息非常有限。例如心脏中的环状电流在人体体表不产生电势差,而这些被人体组织传导所湮没的信息,在原则上都不可能从心电图中取得。因此心电图在病变的前期诊断准确率只有30%到40%。

中科院上海微系统所研发的多通道心磁图仪将心脏疾病诊断准确率提升到了90%以上。心磁图仪是通过检测人体心脏磁场进行成像的一种心脏疾病诊断设备,系统配置的超导量子干涉器件(SQUID)使丈量磁场的灵敏度大幅提升,具有早期诊断能力好、无辐射、完全无创的特点,减少心脏病变的漏诊率。

目前可以检测出成人的心磁图谱,未来还将推出多通道胎儿心磁图仪,有望用于20周前的胎儿心脏先天性疾病诊断,在妊娠阶段可以发现病变尽早预防或干预。SQUID方向/心磁图仪项目负责人孔祥燕研究员表示。

10多年来,我国已进口了几套心磁系统,每套价格都在500万~1000万元人民币之间,国外出售给我国的装备也负担着为国外研究机构搜集数据的任务,测得的数据被加密,只有原生产厂家才能分析,对病理数据的搜集也遭到国外的限制,建立临床诊断的标准更是难上加难。

中科院上海微系统所历时10年研发的心磁图仪,具有自主知识产权的相干软件和硬件技术分别在上海市第六人民医院、徐汇区中心医院/中国科学院上海临床研究中心、北京309医院安装,已进入临床研究,并正在联合漫迪医疗仪器(上海)有限公司推进心磁图仪工程化和产品注册。

不过谢晓明也坦言,目前多通道心磁图仪在市场推广方面仍面临一些难题。首先高技术门槛,使得前期的研发投入时间长、本钱高。其次相较于心电图技术,心磁图仪的价格比较高。更加关键的是,心磁图仪临床灵敏度和特异性的检测需要数据的积累,这就需要更多的医院和医生配合进行临床测试,拿到高质量的运用数据。

为了推动市场的运用,中科院上海微系统所也在产品研发上做了折衷的考虑。以往的心磁图仪需要高性能的磁屏蔽室,单屏蔽室的搭建成本就需要300万到500万元,市场推广难度可想而知。中科院上海微系统所采取了无屏蔽系统,加强仪器内部降噪能力,成本下落,市场运用门坎也相应降低。

对于未来的市场化应用谢晓明仿佛其实不耽忧,从低端到高端到最后个性化定制,我们希望先获得用户的认可。所有的核心技术都掌握在自己手里,我们会有一系列办法降低成本,去做市场化的竞争。

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