中国网/中国开展门户网讯 超导量子干预器件（suPErconducting quantum interference device，SQUID）是指由 1 个或 2 个约瑟夫森结（Josephson junction）和超导体构成的闭合环路构成的器件，次要交融了约瑟夫森隧道效应和磁通量子化原理造做而成的高精度磁传感器。
目前，量子科技开展已经成为我国将来在高手艺范畴开展的重要内容；做为此中重要手艺之一，SQUID与应用系统手艺打破将是将来我国高手艺开展的重点范畴；全面梳理 SQUID研究标的目的与态势将为我国将来在相关范畴的开展设想供给有力支持。
超导量子干预器件相关研究开展态势
SQUID具有4个特点：①接近量子极限的磁探测灵敏度，能够探测低至 10—15 T·Hz－1/2的磁场信号；②很宽的频响特征，超导体对磁场而非磁场变革率产生响应，因而能够探测曲流到 GHz的信号，凡是测试系统的频响受读出电路的限造，一般可达 10—100 MHz量级；③很大的动态范畴，动态范畴很容易到达 130 dB程度，磁信号幅度变革 6—7个量级不会影响系统的工做不变性；④很高的线性响应特征。20世纪 60年代呈现以来，其相关研究不断在不竭地持续开展。2012—2021年，该范畴科学引文索引（SCI）与科技会议录索引（CPCI）数据库收录的 5 106篇核心论文显示，美国、德国、中国、日本、印度、法国、英国、俄罗斯、意大利等多个国度在此范畴的研究十分活泼。做为最灵敏的磁探测器件之一，SQUID在浩瀚范畴的应用研究已经获得显著前进，阐扬着难以替代的感化。
做为科学仪器，SQUID普遍应用于根底科学研究
基于 SQUID的低温射频放大器可具有接近量子极限的噪声程度，在诸如暗物量探测等根底科学范畴中饰演着重要的角色。美国、德国、加拿大、法国、瑞典、意大利等国度均涉足此范畴。例如，美国国度航空航天局施行的“GP-B 方案”，操纵 SQUID等手艺查验广义相对论，丈量地球引起的空间畸变和引力拖拽效应等；瑞典查尔姆斯理工大学的科学家操纵基于 SQUID造做的尝试设备，在实空中捕捉到不竭呈现和消逝的光子，胜利将虚拟光子改变成实在光子，造成了可丈量的光，初次不雅测到被预言的动力学卡西米尔效应；2021年，美国斯坦福大学与普林斯顿大学等合做操纵微波复用 SQUID深切搜刮由膨胀引力波产生的宇宙微波布景辐射的 B模偏振；美国国度尺度手艺研究所和科罗拉多大学波德分校的研究人员开发了一种基于 SQUID 阵列的安装，可为许多应用供给具有越低能量的超低噪音检测，并进一步用于摸索宇宙大爆炸的奥妙。
在科学尝试室中，德国耶拿大学关于重力尝试和相对性原理的研究将 SQUID做为超高灵敏度的位置检测器。扫描 SQUID 显微镜是连系 SQUID和扫描探针手艺开展起来的高灵敏度微区磁信号探测仪器，已经应用于根底科学、纳米质料科学和分子生物手艺等研究范畴，可有效检测集成电路芯片缺陷等。
民用方面，SQUID 应用于无损检测、地球资本探测及医疗范畴
SQUID 测试手艺与常规感应线圈法比拟，在低频段具有明显的手艺优势，而且具有空间分辩率高、可检测质料大深度缺陷和更藐小缺陷、灵敏度更高档长处。基于高温超导体的 SQUID在液氮下工做，整套安装愈加轻盈、便携，可用于多种常规手段不容易利用的场所，如检测飞机轮毂构造缺陷、药品中细小磁性颗粒。在无损检测时，为在干扰严峻的情况中应用高温 SQUID磁强计，常将 SQUID做成磁梯度计来利用——它们在航空航天范畴最常见的用处是用于维护航空和航天器部件的无损检测。
SQUID 应用于地球资本探测已有超越 30年的汗青，次要集中在矿产勘查、油气构造勘探等方面。我国未探明的矿产资本根本散布在深部矿或者隐伏矿中，而高灵敏度的 SQUID磁探测系统对深层地量构造的磁探测才能奇特，远强于传统感应线圈式探头，可在探寻深层资本方面阐扬重要感化。近年来，国内相关单元也加强了相关方面的研究规划，在器件造备、系统集成和实地应用研究方面都获得了显著停顿。中国科学院上海微系统与信息手艺研究所胜利研造出国际第 2套航空低温超导全张量磁梯度丈量系统，并停止了屡次野外飞翔丈量，得到了航空超导全张量磁梯度散布图。
别的，因为 SQUID以其极高的灵敏度在探测微弱的生物磁信号方面具有庞大的手艺优势，脑磁图仪、心磁图仪、胎儿心磁图仪等基于 SQUID的医疗设备相继研发并得到应用。鉴于 SQUID的手艺优势，开展并进步 SQUID磁强计在生物磁测方面的应用研究，是世界学术界和工业界的研究热点标的目的。近年来，美国、德国、日本和中国在此范畴研究多有规划，次要集中于脑磁图、心磁图等相关范畴的系统研发与临床应用。
国防方面，SQUID 普遍应用于航空探潜反潜、未爆物探测、低频电磁波通信等范畴
SQUID能探测水下潜艇，此中高温超导体系体例成的 SQUID，可在液氮温度（77 K）下工做，能够丈量几十 fT的磁场；而且，因为其体积小，可构成阵列，能准确地确定潜艇的位置、深度、运动轨迹和航向。除此之外，SQUID具有大带宽而且是矢量丈量，因而是目前抱负的航空反潜磁力仪。SQUID可在数公里外捕获到水中物体对地球磁场最微弱的干扰变革，其获取的信号通过海底光纤传入岸上的超高速信息处置中心，从而让反潜专家锁定敌方水下来袭平台的准确位置。因为 SQUID具有较强的反潜探测手艺优势，目前在反潜磁异常探测手艺范畴活泼的美国、德国、加拿大、澳大利亚、日本、英国等国度和地域非常重视其应用研发。
此外，针对战后大量战争遗留未爆物，可操纵SQUID开展未爆物检测，属于磁法探测的范围——其在弱磁检测范畴具有庞大手艺优势，可供给更高的灵敏度和矢量才能，比传统的磁场张量系统有更好的检测才能。目前，国表里相关专家已胜利开展了相关尝试研究，包罗地下核爆兵器探测、陆基浅埋未爆物探测、水雷检测（舰艇防护），以及水下挪动平台未爆物探测。
低频电磁波对有耗介量（如岩石、土壤和海水等）有很大的穿透深度，是地下、水下和楼宇间成立无线通信的电磁前言。低频电磁波手艺的一个重要根底就是高灵敏度检测，SQUID的优良性能在无线电频谱低频端具有极好的综合性能，在无线电频谱低端的开发和应用研究上具有很高的手艺价值和开展潜力 。目前，基于 SQUID的低频无线电手艺的应用开发仍然属于停顿迟缓的手艺范畴，实正在无线电通信范畴接纳 SQUID手艺的胜利应用其实不多见。例如，虽然美国海军尝试室很早已造做了低温 SQUID甚低频天线，但目前仍在潜艇中停止尝试验证。
SQUID 相关手艺应用于量子计算等前沿新兴科学范畴
量子计算机接纳量子比特做为其根本单位，超导量子计算被视为最有可能实现通用容错量子计算机的系统之一，在近十几年内迅猛开展。接纳超导约瑟夫森结实现的超导量子比特以其在可控性、低损耗及可扩展性等方面的优势被认为是最有希望实现量子计算机的固态体例之一。SQUID可用于构建超导量子比特，也可用于超导量子比特的低噪声读出，还可做成高灵敏度的单光子程度微波信号放大器来探丈量子比特态的信息。超导量子比特协调振腔构成的耦合系统，即腔量子电动力学系统，已成为超导量子计算研究的根本单位，而且超导多能级与谐振腔耦合的系统也是当前的研究热点之一。2021年中国科学院量子信息重点尝试室通过造备千 Ω 级高阻抗 SQUID在微波谐振腔—半导体量子芯片耦合研究中获得重要停顿，探测到半导体量子点受微波驱动调造的干预新现象 。而在量子退火架构中，射频 SQUID（rf SQUID）磁通量量子位被普遍利用，例如贸易平台 D-Wave 计算，rf SQUID通量量子比特表示出高重现性、长相关时间和中等程度的非谐性。
基于双轨摆列的负电感超导量子干预器（nSQUID）那类新型量子比特的研究在耦合器件的量子态传输速度和根底物理问题的研究上有着很大的优胜性。中国科学院物理研究所、清华大学等胜利完成了 nSQUID 那类新型量子比特（包罗位相量子比特）的造备和器件量子相关性的丈量，开展出了一套成熟的超导量子比特造备的多层膜工艺，填补了国内在那一研究范畴的空白。
高速超导存储器是开展超导高性能计算手艺的核心器件之一。中国科学院上海微系统与信息手艺研究所在 2020年提出了一种新型三维纳米 SQUID超导存储器件能够从原理上打破超导存储器的集成度瓶颈 。
我国量子科技相关政策与趋向
量子科技开展不断是我国高度重视的高手艺范畴，超导量子干预器件相关手艺做为量子科技的重要部门，不断备受存眷。我国自 2006年就起头规划量子科技财产开展，多年来已经发布多项政策规划撑持指点量子科技高速开展（表 1）。
通过梳理我国量子手艺相关的政策规划，其次要存在以下 3 个方面的趋向。
关于量子科技的顶层设想越来越频繁。近年来，国度对量子计算手艺、量子精准丈量手艺等关键手艺的研发与财产规划越来越重视。2018 年以来，国度出台多项政策推进量子手艺开展，构成从范畴顶层设想到整体学科规划的全面性顶层规划。
量子科技相关政策规划层级越来越高。量子科技越来越得到国度重视，量子计算、量子通信、量子检测等一批关键手艺在规划中不竭提出，国度先后组织召开专题会停止进修、研讨、规划。
量子科技规划的系统化水平越来越高。早期规划次要集中在单一科技规划中，近年来更多地涉及社会开展、金融立异、区域整合等各个方面，凸起显示量子科技在社会消费活动中的重要感化。
我国开展 SQUID 相关手艺的建议
SQUID手艺是我国推进高精尖仪器研发，突破国外垄断的重要手艺范畴之一。为进一步促进我国在该范畴打破一些关键手艺，加强应用场景的建立，提拔应用范畴与程度，提出 5个方面的建议。
成立国度超导电子学工程应用中心或中国科学院超导量子干预器件工程应用中心。按照 SQUID在军用、民用等差别应用场景，①发现、拓展并构建超导量子干预器件在我国国民经济中的应用场景，开展场景研究与阐发；②以应用场景为导向，处理打破关键手艺封锁与应用的手艺问题，结合社会力量，开展手艺攻关；③强化体系体例机造建立，构建社会、政府、科研配合参与，政府指点、社会支持、科研机构施行的面向国度使命的灵敏办理与经济分配机造。
加强 SQUID 关键手艺研发。不竭改良SQUID 设想、接纳并开发新型超导质料和小型化支持手艺，以促使 SQUID在将来得到更普遍和成熟的应用。低温 SQUID所需的低温情况及产生的庞大运营成本是限造其应用推广的一个重要因素，接纳高温超导质料造备的器件能够在很大水平上削减那种限造的影响。因而，不竭改良高温 SQUID造备手艺，提拔器件性能及一致性是将来 SQUID 应用的关键之一。
进一步拓展深化 SQUID 应用场景。SQUID手艺的开展也依赖于新的立异应用的开发。例如，脑科学研究越来越遭到重视，基于 SQUID的脑磁图丈量有可能阐扬更大的感化。量子计算的热潮也促进和拓展了 SQUID器件的应用，建议进一步深化 SQUID在量子计算、超导高性能计算等前沿新兴范畴中的手艺应用。
成立依托中国科学院的全国重点尝试室，聚集科研力量。会聚中国科学院相关范畴人才，以全国重点尝试室重组为契机，将相关 SQUID的研发纳入新全国重点尝试室的重要研发标的目的；依托国度量子研发在北京、上海、深圳、合肥等地的规划，将中国科学院相关力量向长三角整合。
以 SQUID 高端平台建立为契机，摸索成立中国科学院围绕关键手艺研发与市场整合的新机造。进一步凝聚高校、研究所、企业等的力量，摸索构建新的市场手艺研发、利益分配、人才交换等机造，构建契合国度开展需要的“高、精、尖”财产手艺研发形式和生态开展格局。（《中国科学院院刊》供稿）
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