2023年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区发布将来到上海。本次论坛我们聚焦「Infinitas 未来无限」，我们将搭建一个展现“青年人”智慧与潜力的舞台，聚集全球创新人才和资源，让更多人见证他们不懈的探索和追求，让一点火苗点燃他们无穷的创造力。让上海与我们共同见证这片广阔无垠的舞台上，追梦者们绽放出耀眼的光芒。

以下是中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员尤立星在2024中国科技青年论坛精彩讲话，由云现场整理。

尤立星：大家下午好！很荣幸有这个机会给大家做一些交流和分享，我今天给大家分享的题目是《低温与超导电子技术》，电子技术大家都很熟悉，加上超导和低温，超导是一种极限材料，大家应该都有印象，低温是极限环境，我们这确实是超越极限的主题。我叫尤立星，来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所，主要做信息技术领域的相关研究工作。

先讲什么是低温，假如今天是27度，我们在科学领域里一般用的不是摄氏温度，我们一般用的是绝对温度，就是一般的摄氏温度加上273。我们今天探讨的是低温，我们大家比较熟悉的是什么温度呢？大家家里用的冰箱的温度可能也就几度到零下二三十度，但是我们一般讨论的低温比这个温度低很多，我们一般谈的是液氮的温度，78K左右的温度。再低一点是液氦的温度，大概4K左右。要达到这样的温度，需要很多条件，比如我们家里要把食品冷下来，我们用冰箱就可以了，如果要达到更低温度，还有更低温度的冰箱。如果需要达到更低的温度，需要更多极速的制冷机，这样就可以帮助我们达到更低的温度，包括量子计算达到的mK级温度。实际上还有更低的温度，大家如果关注科普，还会有微观粒子冷却、激光冷却。

我们讨论低温电子技术，一般情况下我们讨论的温度是从K到几十K的范围。为什么我们要做这些东西？为什么要讨论低温和超导电子技术？我们过去几十年信息技术发展的硬件基础就是摩尔定律，把节点越做越小，把器件尺寸越做越小，越小，难度越大，投入的成本越大。现在信息技术发展已经慢慢往需求牵引来转移，图里的横轴就是怎么样超越摩尔定律，谈多元化的趋势，更多的是谈我们需要什么样的系统、需要什么样的性能。

这个路线图我们一般称为ITRS，叫半导体国际的技术路线图，这个图简单讲就是摩尔定律，随着摩尔定律往前推进越来越难的时候，差不多到2015年，ITRS停止发布，这条路很难走下去。这时候就推出了一个新的东西叫IRDS，国际器件与系统路线图。在这个路线图里提出了很多新的技术，比如这里面提出了十个焦点领域，有很多我们常见的单词，比如超越摩尔、光刻等等，其中还有一个非常重要的技术就是我们今天的主题，叫低温电子学与量子信息处理，这就是低温和超导电子技术。低温超导电子技术已经进入了现在所谓的国际产业技术路线。

超导就是零电阻，除了零电阻之外，超导还有很多其他特性，比如它有抗磁性、磁通量子化。大家一听到超导就觉得很炫，因为这是材料物理领域非常关注的领域，过去一百多年家，已经有十多位科学家因为超导的研究获得了诺贝尔奖。我们今天讨论的东西非常简单，我们不讨论背后的这些物理，我们讨论怎么样把超导用来做电子器件，超导电子可以说是微电子技术中的一部分，可以跟传统的半导体微电子技术做对比，我们不用硅，我们用的是超导特殊材料，比如锂、氮化锂等等，但是我们做这个器件，我们会做一些特殊结构，但是结构到器件层面上，就跟我们听到的半导体微电子技术一样，包括各种各样的传感器、探测器，有各种各样的微波器件模拟量子电路等等，只不过底层的物理实践有所不同。

超导干的事情就是半导体干不了的事情，我们可以把半导体理解成为大家通常的日用品，超导的东西可以理解为奢侈品，选奢侈品只选贵的，只要东西好，我不惜代价，这是超导电子的意义，并不是走向大家日常家里用，而是关键特殊的领域里获得应用。超导的传感器灵敏度非常高，几乎每个电磁波谱里都有极高灵敏度的探测器，这是传统半导体器件没办法实现的，有些已经达到了量子极限。

超导量子计算就是基于超导的电路和集成电路来实现，包括通用的量子计算、超导的模拟计算或者专外的量子计算，而这里面的实现都是基于超导的器件和集成电路，而且不同的技术路线都在互相竞争过程中。

为什么要做低温，为什么大家一听到量子计算，经常会听到我们国内说这个被卡脖子、那个被卡脖子，其中一个非常重要的就是卡低温。为什么量子计算需要低温？这是非常有意思的概念，我们说的量子计算就是操纵所谓的量子态，因为这些所谓的量子态之间的能量非常微弱，因此我们在室温下没办法操控。为什么？室温温度的热掌握远比我们所谓的量子态操控能量大得多，因此我们也要做量子态的操控，温度足够低，热的噪声、环境的噪声足够小，这时候才能操控量子态。典型的温度是要达到多少？比如超导量子比特，它的典型频率在几个GHz，我们想要做超导量子计算，就必须降到0.5K。低温对于量子计算也是非常重要的概念。

低温里还有很多其他的特性，我简单的说一下，低温就是温度越低、噪声越低，噪声既包括电子元器件的噪声，也包括所谓的热噪声，低温提供非常好、非常干净的低噪声环境。另外，对于半导体来说还有一些特殊的特性，有些东西可能是负面的特性，比如半导体在温度越低的时候，它的载流子会变少。

说了那么多低温的好处，低温不是免费的，低温需要花很大的代价。我们家里的冰箱要冷东西，你还要给它输电。低温下的某一个温度，你要达到一定的冷量，获得一定的冷量，你需要给它在室温下供更多的电，这会有比例换算的关系，这里面有一个理想关系就是卡诺循环的理想效率，就是图中黑色的实线，但这是理想的情况。实际情况远比这个情况糟的多，比如4K，我们要从300K达到4K的温度，理论上的能效大概是72倍。现实情况是什么？我们能做到的一个非常大的好的制冷机至少要500倍，小的制冷机可能要1万倍。意味着如果我们做的低温的东西性能没有好上百倍、数千倍，那就没有意义了。低温和超导电子学研究领域研究很多东西，任何东西只要你在低温下，你都值得去研究，因为大家很多时候并不知道低温的属性，包括不同的材料、不同的传感器、探测器，各种各样的光电器件等等，甚至包括简单的一根线缆，你都得关注。我们还研究一个特点，它的功耗一定要低，低温不是免费的，要花很大的代价。而且还要考虑漏热，因为所有的交互必须从低温到湿温来交互。

科学院在上海微系统所做的相关工作，我们在超导集成电路方面，我们有4英寸的集成电路路线，大家可能觉得太小了，这已经是中国最好的超导集成电路工艺线。有了这个工艺线，我们可以做很多各种各样的超导器件电路和集成电路，我们开发了中国唯一一个超导集成电路的设计和工艺平台，我们形成了两个标准工艺，是中国唯二的两个标准工艺，都是我们微系统所开发的，我们基于这些工艺开发了特殊超导专用的芯片、CIU等等。

我们还可以做各种各样高灵敏度的器件，比如我们可以做单光子探测器件，我们现在的器件也形成了这样专门应用的系统，比如我们的效率可以做到98%，甚至99%，意味着一百个光子一个一个来了，大概98个能被我捕捉到，这也几乎接近了理论的极限。大家都知道我们国家的量子信息发展的非常好，比如量子通讯，我们国家在光纤量子通信里不管是创造距离的千公里记录，还是速度的记录，背后都是我们提供的超导单光子探测器。

除了光探测之外，我们的超导还可以做非常好的磁探测器件，磁探测器件有一个瓦森那（音）协议，我们基本上做到国际上最好的水平。这个东西可以用来做各种各样的应用，比如探矿，我们可以用超导的磁探测器件来实现。另外可以做生物信号的探测，可以探测人的心磁、脑磁。

我们做的超导、低温这些东西现在只是小规模产业化，我们现在已经孵化了三个小规模的小型高科技公司，分别做相关的光探测、磁探测产业化工作，这些工作都属于比较有前景的，但属于小众的硬科技。

题目叫“跨越无限”，温度给我们提供了另外一个维度，增加了另外一个维度，我们就有各种各样无限的可能性，我们生活在这个时代，非常痛苦的是知识爆炸，太多太多的知识，我们需要不停的学习，不学习就跟不上这个时代。而且不同领域的知识都非常多，我们需要很大程度上交叉学习各个领域的知识。当然我们也要知道一点，我们一旦交叉了，就带来很多颠覆性技术。我们在技术层面，包括我们谈的低温与超导电子技术，它也是颠覆性技术，但是大家要冷静，这只是颠覆性技术，并不一定能带来市场的颠覆，所以我们还是需要脚踏实地、仰望星空、好好做事。我的报告就到这里，谢谢大家！