中国科学院老科学技术工作者协会

简 报

﹝2023﹞ 第九十六期（总第867期）

中科院老科协办公室      2023年6月29日

《低温电子学与量子信息处理-机遇与挑战》

学术沙龙总结

　　学习了习近平科技创新的思想，由中国科学院老科协、中国科学院上海分院主办、上海市老科协中科委承办的《低温电子学与量子信息处理-机遇与挑战》学术沙龙于2023年6月15日下午在中国科学院上海分院举行。

　　沙龙邀请了中国科学院老科协、上海市老科协以及中国科学院下属的上海微系统所、光机所、硅酸盐所、药物所、生化所、技物所、有机所等相关单位老专家、学者共31人出席。

　　沙龙由上海市老科协中科委主任祝如荣研究员主持。他说，今天沙龙的主题是《低温电子学与量子信息处理-机遇与挑战》。低温世界，等待着人们去认真探索和开发。材料和器件，在低温下往往呈现和室温完全不同的特性，出现了低温超导的量子效应，随之量子计算、量子探测应允而生。自2018年起，低温电子学和量子信息技术被国际器件与系统路线图（IRDS）列为重点关注的十个焦点领域。我国的低温超导近年来取得世人瞩目的成绩：中科大潘建伟院士的团队与中国科学院上海微系统所超导实验室主任尤立星博士合作，实现了量子通信1000公里距离的世界记录。尤其是尤博士领导的低温超导团队研制的单光子探测器，达世界先进水平。尤博士创建的赋同量子科技公司生产了占国内70%份额的单光子探测器。已挤身于世界6大单光子探测器公司的行列。在目前国外对我们高科技领域封禁，打压的大环境下，低温超导技术今后如何继续发展，也请各位专家、学者献计献策。

中国科学院上海分院老科协主任祝如荣研究员主持学术沙龙

　　中国科学院上海微系统所超导电子研究室主任、信息功能材料国家重点实验室副主任尤立星博士作《低温电子学与量子信息处理-机遇与挑战》的主旨报告：

尤立星博士作主旨报告

　　人们日常体验到的室温，是指环境温度在300k左右。如果温度降低一点，就是液氮。就是人们做超导会关心的温度。温度到零下200，大概是70-80k左右。这里会区分高温和低温，如果温度再低一点，就是液氦，液氦温度大概4K左右，这也是人们常见的低温区。

　　在天文学里经常会听说宇宙背景辐射，通常指温度大概在3k。现在典型的量子计算都是在这种非常低温，差不多在10mk左右的能级。当然还有更低的温度，比如物理学里的玻尔兹曼温度，可能会在 k以下到nk这样一个量级。但这并不是一个宏观的物体能冷却到这个温度，更多的是对一些原子层面的冷却。

　　今天讨论的低温电子学，实际上就是在液氮温区以下到mk的这样一个温度。这个温区是我们有条件能够达到，而且比较容易操纵的温区，我们讨论的低温电子学基本上也在这个温区工作。

　　为什么我们要做低温电子学？现在信息技术的发展趋势，基本上就是遵循摩尔定律。我们把线宽越做越细，越做越小。带来的集成度越来越高。当然这也会带来一些其他的问题，比如成本越来越高。而且未来还会碰到比如说集成度越高，小范围面这样的功率密度越来越高，也包括尺度越小，它会涉及到器件量子效应等问题。现在真正考虑超越摩尔，后摩尔时代等问题。其中有一条路线就是在讨论不是简单的技术能力的提升，更多的是我们真正的应用需要的东西，并不是真正需要技术是越强越好。我们从应用角度可能需要的性价比，需要的综合性能，因此就会出现这种超越摩尔的各种多元化的各种各样趋势。

　　我们所做的工作主要是围绕着超导的器件电路，一方面向前延伸到超导材料方面的研究，另外一方面向后把超导器件和电路做好，然后做相关前沿的应用。我们的核心就是希望能够打造一个引领国际超导电子学的卓越创新中心，解决国家自主可控的超导问题。我们的特点就是建成一个非常好的平台，保证所有的这些元器件全部自己做，而且自主可控全部。目前，这个平台里面的设备几乎都是进口的，现在所谓半导体工艺设备主要还依赖进口，大概就这样一个情况。

　　我们依托这样一个平台，有非常好的工艺，依托这些工艺能力，就能做各种各样的超导传感器、探测器，包括集成电路、量子比特等等相关的研究工作。

　　1、超导大规模集成电路方面的工作，这是科学院的专项支持的研究工作。我们研发具备超导的CPU，虽然只有八位的研发能力，但已经是世界上排名美国，日本之后的第三个国家具备这样的研发能力。同时，我们基于这样的一个CPU，研制出了超导计算机的原理样机。

　　2、超导分立，磁探器件。实现了技术的转化，多家医院使用我们的心磁图仪能检测出心肌缺血等疾病，而常规的心电图仪是无法检测到的。磁探测还可用在物理探矿等方面。

　　3.单光子探测器件。我们研发的探测器在工作频率、效率、噪声等方面，都属世界一流，能够很好的支持量子通讯的发展。十多年前与中科大的潘建伟团队在量子通讯领域合作。从刚开始的他们只能用国外的探测器，现在几乎全部用上了我们的探测器。我们在量子通讯领域做了非常多的工作，现在这个领域里面绝大多数的量子通讯的距离记录都是中国创造的，我们一起合作，发表了很多这种高水平的文章。

　　4.量子计算。量子计算有很多实现的方式，说一下光量子计算。量子比特是以光子作为载体，光量子最后必须要有高性能的单光子探测器。量子比特的数目越来越多，就需要有更多的高性能的探测器。所以说高性能的探测器对于光量子计算的发展是至关重要的。我们在这个领域里面，为国家的量子计算提供了非常多的高性能探测器。最典型的合作是2020年跟陆朝阳，潘院士团队的九章光量子计算机。是我们国家第一次实现了九章光量子的计算机。这个光量子计算机用了我们100个通道的超导单光子探测器。之前，美国的IBM，谷歌在超导量子计算方面也实现了突破。

　　5.单光子探测器产业化。创建的赋同量子科技公司，生产了占国内70%份额的单光子探测器。已挤身于世界6大单光子探测器公司的行列。支持了九章光量子计算等国家级的攻关项目外，我们也在做一些产业化方面的工作。，我们是目前国内唯一的超导单光子探测器产业化的公司。过去几年间销售单光子探测器130余台。每台仪器售价80万-200多万人民币。市场占有率70%以上。基本上解决国外对我们卡脖子的问题。

　　接着，林志荣研究员作了副报告《量子计算研究现状与超导量子退火技术》。

林志荣研究员作副报告

　　他主要介绍了量子计算领域在过去几十年来的发展历史。量子计算始于20世纪80年代早期，当时物理学家保罗 贝尼奥夫 提出了图灵机的量子力学模型。理查德 费曼和尤里 曼宁后来提出量子计算机有潜力去模拟传统计算机所无法模拟的东西。量子计算有几种模型，包括量子电路模型、量子图灵机、绝热量子计算机、单向量子计算机和各种量子细胞自动机等。广泛使用的模型是基于“量子比特”或“量子位 ”的量子电路模型 。它在某种程度上类似于经典计算中的“比特”。一个量子比特可以处于1或0的量子态，或者处于1和0的叠加态。然而，当量子比特被测量时，测量结果只能是0或1; 这两种结果发生的概率取决于量子比特在被测量之前所处的量子状态。计算是通过量子逻辑门操纵量子比特来完成的，这在某种程度上类似于经典逻辑门。目前，量子计算机的物理实现集中在离子阱和拓扑量子计算机等技术上，这些技术旨在创造高质量的量子比特。量子比特的设计方式可能不同，这取决于量子计算机的计算模型，是量子逻辑门、量子退火 还是绝热量子计算 ,而且所谓量子比特的数目越来越多，就需要我们有更多的高性能的探测器。所以说，研究生产高性能和多数量的探测器，对于光量子计算的发展是至关重要的。

　　尔后参加沙龙的专家围绕低温电子学需求背景给我们的启示；低温电子学发展现状与挑战 ；量子计算与量子退火的研究前景等议题进行讨论。

　　与会专家认为，低温超导由于近年来在量子通信及量子计算、量子探测方面杰出的功能越来越受到人们的重视。量子计算和量子保密通信是当前需求最迫切的应用领域，也是发展最快的领域之一。尤立星博士领导的低温超导研究团队，成功解决了低温单光子器件的信号从低温到常温传输和超导线缆，低温容器的研制等诸多领域。同时，研制了多单元的单光子探测器，与中科大潘建伟团队合作在2023年实现了1000多公里的量子通信。他们团队还致力于科研成果的转化和产业化。成立了赋同量子科技公司，生产的多单元的单光子探测器与国外先进同步，跻身全球6家公司之一，市场占有率达70%，取得了相当了不起的成就。

　　有的专家还说，由于多单元的单光子探测器的产业化还在起步阶段，赋同量子公司的产品还属于“走在中间”的状态，从定制化到完全成熟的固定型号的产品，还有很长的路要走。

　　近年来，芯片存储已向大容量信息快速传输、感知智能化、大数据处理机器人技术的核心控制等已成为新一代的芯片发展的方向。以量子纠缠概念为出发点定义的量子比特作为量子计算单元，潘建伟在国际上首次获得18个光量子比特，对发展量子芯片有着重要的意义。

　　由于量子效应通常是温度越低、量子效应越能表现出来，因此，将低温超导体与量子计算机就成为低温超导体在弱电流应用中，非常前沿而重要的研究方向，并有望实现应用。

　　最后，上海市老科协常务付会长于晨说，老专家和上海微系统所的年轻学者的发言，有一种长江后浪推前浪一代更比一代强的感觉，我们年轻的科学家正在迅速成长。听祝主任说，你们的科研成果转化很成功，还成立了公司。上海市研发新产品，以前的流行语是礼品、展品、样品，很少有产品。你们现在居然把科研成果转化成商品又出售了，市场占有率达70%，相当不容易。这个方向值得肯定，也表示祝贺。

上海市老科协常务副会长于晨讲话

与会专家集体照

　　（中国科学院上海分院 上海市老科协中科委供稿）