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量子通信太遠 超導技術已照進現實

來源: http://www.yicai.com/news/5011129.html

在長篇科幻小說《三體》中，人類在外星人的幫助下才實現量子通信，讓太空飛船與地球實時通信。但《三體》中的智子實屬作者的科幻想象，真實的量子糾纏並不是用來傳遞加密後的信息，而是應用於量子密鑰分發。“量子通信的核心並非改變通信或者加密方式本身，而是提供一個更加安全的密碼保密傳輸方式。”中國科學院上海微系統與信息技術研究所超導實驗室研究員尤立星博士告訴《第一財經日報》記者。

通常而言，信息的加密需要使用一連串數字組成的密鑰確保安全，但在傳輸過程中若被竊聽就可能被破譯。而量子密鑰具有不可克隆的特質，基於量子力學的測不準原理，如果密鑰在傳輸過程中遭遇竊聽，收發雙方就會知道，從而放棄使用不安全的密鑰。

作為新一代保密通信技術，量子保密通信基於量子信息傳輸的理論絕對安全性，成為各國科研的熱點領域之一。然而量子保密通信傳輸距離、碼率與所采用的單光子探測器的性能密切相關。與近紅外波段傳統半導體單子探測器相比，中國科學院超導電子學卓越創新中心研發的超導納米線單光子探測器(SNSPD)，具有探測效率更高、暗計數率(所謂暗計數是單光子探測器的噪聲評判指標，指雜散光和黑體輻射被單光子探測器認作有效光子的概率，這種誤判被稱作暗計數)更低的優勢。

“傳統半導體單光子探測器探測效率低、暗計數高，量子通信距離達到50公里可以用，但100公里就很難了，超導單光子探測器可以實現200甚至300公里。”上海微系統與信息技術研究所副所長謝曉明博士向《第一財經日報》表示。作為量子通信的核心元器件，SNSPD依托的是超導電子學微納工藝技術。

超導是一種物質在低溫下體現出的特別現象，主要表現為電阻在一定的溫度下完全消失，通常為特定溫度下，變為零電阻，導電沒有了任何阻力，無電阻、抗磁性，超導技術蘊藏的市場應用潛力巨大。和已經成熟的半導體集成電路相比，超導電子器件的工藝成熟度還不夠，低溫工作環境對超導應用提出了更為嚴苛的要求。上海微系統所已建成了國際領先的低溫超導器件工藝平臺，可以生產高性能的超導薄膜材料，實現高可靠性的微納加工工藝和系統集成技術。

2014年，中科院上海微系統所與瑞士IDQuantique公司合作，正式推出了由上海微系統所研制的SNSPD器件產品，據悉這款只有3毫米見方的芯片售價約為1萬歐元，相當於一輛家用汽車的價格。這成為我國首次出口超導電子器件，也是為數不多的核心高端元器件出口的實例，突破了國外的技術封鎖。

量子通信之外，SNSPD器件應用於衛星激光測距等眾多領域。衛星激光測距是基於光子飛行時間的激光雷達的一個重要應用。即利用安置在地面觀測臺站的衛星激光測距系統所發射的激光脈沖，跟蹤觀測人造地球衛星，以測定觀測臺站到衛星之間的距離，在天文學、地球物理學、大地測量、地震預報和國防等方面都具有重要意義。

據尤立星介紹，衛星激光測量的精度取決於探測器的一個叫做時間抖動的參數，即穩定度。超導探測器的時間抖動很小，可以讓測距的精度從以往的cm精度提升到mm精度，幾千、幾萬公里甚至更遠的衛星和空間碎片都可以進行精準定位。

2015年，中科院上海微系統所和中科院上海天文臺合作，在國際上首次利用SNSPD開展532nm波長的衛星激光測距，利用上海天文臺佘山臺站的60cm口徑望遠鏡，雙方合作完成了對距離臺站3000公里國際聯測激光相對論衛星LARES的測距，精度達8mm。這是繼2013年美國NASA利用SNSPD開展1550nm波長衛星測距之後再次利用SNSPD開展衛星測距的報道。2016年初，經過進一步優化系統，測量能力獲得進一步提升，上海天文臺佘山臺站已成功觀測到近2萬公里的俄羅斯Glonass衛星，精度約2cm。

與高深莫測的量子通信、激光雷達、深空通信相比，超導技術在醫學方面的應用也許更接地氣。由於超導電子器件具備高靈敏度、低噪聲等優點，對於疾病的早期診斷優勢明顯。例如在心臟疾病診斷技術上，心電圖是最為廣泛使用的一種診斷技術，但由於心臟磁場信號特別微弱，心電圖技術所能得到的心臟電活動信息非常有限。例如心臟中的環狀電流在人體體表不產生電勢差，而這些被人體組織傳導所湮沒的信息，在原則上都不可能從心電圖中獲得。因此心電圖在病變的前期診斷準確率只有30%到40%。

中科院上海微系統所研發的多通道心磁圖儀將心臟疾病診斷準確率提升到了90%以上。心磁圖儀是通過檢測人體心臟磁場進行成像的一種心臟疾病診斷設備，系統配置的超導量子幹涉器件(SQUID)使測量磁場的靈敏度大幅提升，具有早期診斷能力好、無輻射、完全無創的特點，減少心臟病變的漏診率。

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“目前可以檢測出成人的心磁圖譜，未來還將推出多通道胎兒心磁圖儀，有望用於20周前的胎兒心臟先天性疾病診斷，在妊娠階段可以發現病變盡早預防或幹預。”SQUID方向/心磁圖儀項目負責人孔祥燕研究員表示。

十多年來，我國已進口了幾套心磁系統，每套價格都在500萬~1000萬元人民幣之間，國外出售給我國的設備也負擔著為國外研究機構收集數據的任務，測得的數據被加密，只有原生產廠家才能分析，對病理數據的收集也受到國外的限制，建立臨床診斷的標準更是難上加難。

中科院上海微系統所歷時10年研發的心磁圖儀，擁有自主知識產權的相關軟件和硬件技術分別在上海市第六人民醫院、徐匯區中心醫院/中國科學院上海臨床研究中心、北京309醫院安裝，已經進入臨床研究，並正在聯合漫迪醫療儀器(上海)有限公司推進心磁圖儀工程化和產品註冊。

不過謝曉明也坦言，目前多通道心磁圖儀在市場推廣方面仍面臨一些難題。首先高技術門檻，使得前期的研發投入時間長、成本高。其次相較於心電圖技術，心磁圖儀的價格比較高。更為關鍵的是，心磁圖儀臨床靈敏度和特異性的檢測需要數據的積累，這就需要更多的醫院和醫生配合進行臨床測試，拿到高質量的應用數據。

為了推進市場的應用，中科院上海微系統所也在產品研發上做了折中的考慮。以往的心磁圖儀需要高性能的磁屏蔽室，單屏蔽室的搭建成本就需要300萬到500萬元，市場推廣難度可想而知。中科院上海微系統所采用了無屏蔽系統，加強儀器內部降噪能力，成本下降，市場應用門檻也相應降低。

對於未來的市場化應用謝曉明似乎並不擔憂，“從低端到高端到最後個性化定制，我們希望先取得用戶的認可。所有的核心技術都掌握在自己手里，我們會有一系列辦法降低成本，去做市場化的競爭。”