许超导电子学一个未来,超导电子学卓越创新中心成立【澳门电子游戏手机版】

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近日,依托于中国科学院上海微系统与信息技术研究所的中国科学院超导电子学卓越创新中心(以下简称超导卓越中心)正式成立,标志着上海微系统所在全院研究所分类改革中迈出了实质性步伐。

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上海微系统所是我国超导研究的一支骨干力量,曾取得研制我国第一根低温超导线、创造熔融织构高温超导临界电流密度世界记录等多项佳绩。2005年,时任中科院副院长的江绵恒结合国际学科前沿发展和国家战略需求,领导超导课题组学科转型,确立了“从系统集成和应用起步,全面发展超导量子信息技术”的策略。经过10年发展,成功部署了从超导物理、超导材料到超导器件为一体的的超导研究创新链。2012年建成国内领先、国际先进的超导电子学器件工艺平台,并牵头中科院首批启动的B类战略性先导科技专项“超导电子器件应用基础研究”,同时获准成立“中国科学院上海超导中心”,以极高灵敏度探测器为切入点,构筑“材料、器件、应用”为一体的生态研究环境。目前,上海微系统所已成为国内综合实力最强的低温超导电子学研究团队之一,多项成果在国内外产生了重要影响。其中,2014年中国科学技术大学潘建伟院士团队和上海微系统所合作,使用微系统所研发的高性能超导单光子探测系统,在国际上首次实现200公里测量器件无关的量子密钥分发,合作成果发表于《物理评论快报》,被审稿人评论为“实用量子密钥分发的重要里程碑”和“物理和技术上的重大进展”。

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超导卓越中心的定位是面向学科前沿与发展,瞄准我国信息技术、生命科学、资源环境和国防等领域对超导电子学器件和电路的重大战略需求,聚焦重大任务,发展集“科学研究、平台建设和体制机制探索”为一体的科研产出与人才培养模式,催生重大基础研究成果和重大应用示范成果,成为引领国际前沿的超导电子学研究中心。

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超导卓越中心的主要任务是面向超导电子学领域的重大科学问题和国家战略需求,开展量子材料物理、传感器和探测器、数字电路、量子比特前沿基础研究与应用探索,建成先进超导器件工艺平台和具有国际水平的人才队伍;发现新材料、突破量子态退相干机理、研制系列核心器件,在量子探测、量子通信和高性能计算等领域实现重大应用示范,成为国际超导电子学领域领跑者。

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超导卓越中心为中科院设非法人单元,依托单位为中科院上海微系统与信息技术研究所,参与单位包括中国科学技术大学、上海科技大学和中科院上海硅酸盐研究所,中心实行理事会领导下的中心主任负责制,将围绕“率先行动”计划的实施,进一步整合上海微系统所已有的国家重点实验室、中科院重点实验室以及共建单位在基础研究和应用研究等方面的优质资源,开发我国自主产权的超导芯,在长宁打造我国高端自主核心元器件的研发高地。

中科院上海微系统与信息技术研究所供图

2009年5月的南京紫金山,春意正浓。

日本国家信息与通信研究机构超导电子学研究组组长王镇像以前很多次一样,回国参加学术会议。没想到,两位访客正在等待他,并带来了一道影响他后半生的选择题。

不请自来的是中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称上海微系统所)研究员谢晓明和尤立星。

“我们要在上海建一个超导电子学研究平台,您能不能回来?”谢晓明开门见山。

“超导电子学研究跟半导体电子学一样,要投大钱才能搞起来,以前国内没人做,现在中科院愿意养大这个‘小娃娃’,我很感兴趣!”面对这道选择题,王镇没有犹豫,“我在国外工作二十多年了,现在回国还能抓紧时间再干几年,回!”

果然,之后几年,上海微系统所接连承担中科院A类、B类战略性先导科技专项,成立中国科学院超导电子学卓越创新中心(以下简称超导电子学卓越中心)……从汇聚人才到承担重大项目,再到突破体制障碍、集中力量办大事,超导电子学这个幼小的生命正在中科院茁壮成长。

孕育诞生

超导电子学这个“小娃娃”着实不简单。

超导是指某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质。超导电子学是超导物理、材料科学与电子技术相结合的一门交叉学科。超导器件具有极高灵敏度、低噪声、宽频带等突出优势,可用于半导体器件无法胜任的关键应用。

随着半导体集成电路逼近物理和技术极限,速度和功耗已成为难以逾越的障碍。谁将成为后摩尔时代的接替者?超导数字电路和量子比特电路被认为是未来最有希望的颠覆性技术。

发展这两种技术,都离不开超导电子学。“这也是为什么几十年来,发达国家一直致力于发展超导电子学研究的原因。”谢晓明告诉《中国科学报》。

如果不考虑成本,超导器件和电路堪称“完美”。但是,为了达到超导需要的低温,则必须付出高额成本。在谢晓明看来,这也是我国超导电子学发展落后的主要原因,“早期甚至连降温的液氦都买不起”。

高温超导机理被誉为凝聚态物理皇冠上的明珠,目前尚未完全破解。我国科学家赵忠贤、陈仙辉等人在高温超导材料领域做出了世界领先的研究工作,成为国际舞台上最活跃、最有影响力的研究力量之一。然而在超导电子学领域,我国和国际先进水平存在较大差距,在一些关键领域甚至是空白。

以冶金技术起家的上海微系统所,在超导方面起步很早,我国第一根低温超导线就是在这里诞生的。但是,随着时代进步和学科发展,所领导班子意识到,研究所的主攻方向必须根据自身优势和国家需求动态调整,不能沿惯性发展。在不断的自我改革和调整中,2006年,上海微系统所原所长、时任中科院副院长江绵恒拍板,将超导电子学确定为上海微系统所的主攻方向之一。

“江院长当时明确指出,中科院要立足解决国家重大需求,不一定立刻产生巨大经济效应,未来会有重大应用的就应该投入。”谢晓明回忆说。

果不其然,经过几年积累,2012年,上海微系统所迎来一次重要的发展机遇,牵头承担了中科院B类战略性先导科技专项“超导电子器件应用基础研究”,参与单位包括中科院紫金山天文台、上海硅酸盐研究所(以下简称上海硅酸盐所)、中国科学技术大学等。为了协调各单位协同创新,又成立了中科院上海超导中心,王镇担任首席科学家,谢晓明是专项负责人和中心主任。

先导专项不仅给了各参与单位一个更大的舞台,也让他们感受到协同创新的力量。“放眼全国,要想打破各单位界线、集合最强的力量搞超导电子学,中科院具有得天独厚的条件。”谢晓明说。

当时,除了高温超导滤波器,我国基本不具备可靠的高性能超导器件自主供给能力。而国外对我国严格禁运高性能超导器件,只有纯基础研究及苛刻限制条件下的超导量子干涉仪才能少量进入国内。

“联合起来干大事,在国际上占有一席之地”,成为大家共同的心声。

在中科院筹备试点建设一批卓越创新中心之际,几家单位一拍即合。2015年10月23日,由上海微系统所牵头,上海硅酸盐所、中国科大、上海科技大学等多家共建的中国科学院超导电子学卓越创新中心正式获批。谢晓明和王镇再次联手,分别担任主任和首席科学家。

为发展超导电子学前沿学科,满足国家对超导电子技术的战略需求,超导电子学卓越中心打破研究所围墙,把全院超导电子学相关的顶层力量全部汇入这一协同创新的全新体制中。围绕中科院“三个面向”“四个率先”办院方针及上海市建设具有全球影响力的科技创新中心目标,聚焦物理前沿交叉、先进材料和信息等重大创新领域,旨在建成具有“全球视野、国际标准”的超导电子学研究机构。

“做科学家尤其是应用学科的科学家,必须把自己的研究与国家的战略需要联系起来,通盘去想,布大局、做大事。”时任上海微系统所所长、中国科学院院士王曦如是说。

志存高远

集结了中科院最强的力量搞改革,就必须有开创性的举措、产出重大成果、带来实实在在的成效。

自成立起,超导电子学卓越中心就瞄准具有国家重大需求的硬骨头——超导传感器、探测器、量子比特和数字电路。

超导数字电路有望同时跨越速度和功耗两项半导体电路的物理瓶颈,是国际上后摩尔时代的重要备选方案,我国仍处于空白状态;超导量子比特可指数级提高计算能力,成为发达国家和国际大公司——IBM、谷歌公司、阿里巴巴网络技术有限公司等竞相争夺的颠覆性技术高地;超导传感器和探测器可以将电磁等信号探测能力提升至量子极限,支撑国家重大需求,我国同国外差距明显。

“如果在关键技术上无法实现自主化,未来谈基于超导的系统优势无疑是空中楼阁。”谢晓明说。

为此,超导电子学卓越中心决定聚焦量子材料与物理、超导器件与电路基础研究和前沿应用探索,全面发展我国超导电子学学科。未来目标则是新材料、器件物理和核心器件研究产生学术影响,实现自主可控,取得重大应用示范。

从零开始建造超导电子学的“大厦”,超导电子学卓越中心不乏勇气,亦探索出一套独具特色的组织运行模式。“多数卓越创新中心以基础研究为主,我们的特点是既有基础又强调应用,跟应用接口很近,打造材料—器件—应用一体化的创新生态环境。”谢晓明说。

目前,超导电子学卓越中心设置材料与物理、器件与电路、应用探索3个研究部,分别由陈仙辉、王镇、谢晓明担任学术带头人。

谢晓明认为,3个研究方向相互关联:新材料一旦突破便可以为整个超导电子学带来颠覆性变革,器件和电路研发的最终目标是走向应用,应用反过来对器件提出技术要求,最终形成良性循环。

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