量子通信太远 超导技术已照进现实

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在长篇科幻小说《三体》中，人类在外星人的帮助下实现了量子通信，并使宇宙飞船泰空号与地球实时通信。然而，《三体》中的智子只是作者的科幻想象，真正的量子纠缠不是用来传输加密信息，而是应用于量子密钥分发。“量子通信的核心不是改变通信或加密方法本身，而是提供一种更安全的加密传输方法。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所超导实验室研究员尤·李星博士告诉《中国商报》记者。

一般来说，信息的加密需要使用一系列的数字密钥来确保安全，但如果在传输过程中被窃听，它可能会被破译。然而，量子密钥是不可克隆的。根据量子力学的不确定性原理，如果密钥在传输过程中被窃听，发送方和接收方都会知道并放弃使用不安全的密钥。

作为新一代安全通信技术，量子安全通信基于量子信息传输的绝对安全理论，已经成为各国研究的热点之一。然而，量子保密通信的传输距离和比特率与单光子探测器的性能密切相关。与传统的近红外波段半导体单光子探测器相比，中国科学院超导电子学创新中心开发的超导纳米线单光子探测器(snspd)具有探测效率更高、暗计数率更低的优点(所谓暗计数是单光子探测器的噪声评估指标，指单光子探测器将杂散光和黑体辐射识别为有效光子的概率，这种误判称为暗计数)。

“传统的半导体单光子探测器探测效率低，暗电流高。量子通信距离可以达到50公里，但很难达到100公里。超导单光子探测器可以达到200甚至300公里。”上海微系统与信息技术研究所副所长谢晓明博士告诉《中国商报》。snspd作为量子通信的核心部件，依赖于超导电子学的微纳技术。

超导性是物质在低温下的一种特殊现象，主要表现为电阻在一定温度下完全消失，在特定温度下通常变成零电阻，导电没有电阻，没有电阻，也没有抗磁性。超导技术具有巨大的市场应用潜力。与成熟的半导体集成电路相比，超导电子器件的工艺成熟度还不够，低温工作环境对超导应用提出了更严格的要求。上海微系统研究所建成了国际领先的低温超导器件加工平台，可生产高性能超导薄膜材料，实现高可靠性微纳加工技术和系统集成技术。

2014年，中国科学院上海微系统研究所与瑞士idquantique合作，正式推出上海微系统研究所开发的snspd设备产品。据报道，这种只有3毫米见方的芯片的价格约为1万欧元，相当于一辆家用汽车的价格。这已经成为中国超导电子器件的第一个出口，也是突破国外技术封锁，出口核心高端元件的少数例子之一。

除了量子通信之外，snspd器件还被用于卫星激光测距等许多领域。卫星激光测距是基于光子飞行时间的激光雷达的一个重要应用。也就是说，利用安装在地面观测站的卫星激光测距系统发射的激光脉冲对人造地球卫星进行跟踪和观测，在天文学、地球物理学、大地测量学、地震预报和国防方面都具有重要意义。

据尤介绍，卫星激光测量的精度取决于一个称为时间抖动的参数，即稳定性。超导探测器的时间抖动非常小，可以将测距精度从前厘米精度提高到毫米精度。空之间数千、数万公里甚至更远的卫星和碎片可以被精确定位。

2015年，中国科学院上海微系统研究所与中国科学院上海天文台合作，首次在世界范围内开展了波长为532nm的卫星激光测距。利用上海天文台佘山站的60厘米望远镜，双方合作完成了精度为8毫米的国际激光联合相对论卫星激光测距，这是继美国国家航空航天局2013年利用snspd进行1550纳米波长的卫星测距后，又一次利用snspd进行卫星测距的报道。2016年初，系统进一步优化后，测量能力进一步提高。上海天文台佘山站成功地观测到了精度约为2厘米的俄罗斯glonass卫星。

与深刻的量子通信、激光雷达和深空通信相比，超导技术在医学上的应用可能更有基础。由于超导电子器件具有高灵敏度和低噪声的优点，因此在疾病的早期诊断方面具有明显的优势。例如，心电图是心脏疾病诊断中应用最广泛的诊断技术之一，但由于心脏磁场信号极弱，心电图获得的心脏电活动信息非常有限。例如，心脏中的环形电流在人体表面上不产生电位差，并且人体组织传导所损失的信息原则上不能从心电图中获得。因此，心电图在病变早期的诊断准确率仅为30%-40%。

中国科学院上海微系统研究所研制的多通道心磁图，将心脏疾病的诊断准确率提高到90%以上。心磁仪是一种通过检测人体心脏磁场来诊断心脏疾病的设备。系统中配置的超导量子干涉器件(squid)大大提高了测量磁场的灵敏度，具有早期诊断能力好、无辐射、完全无创的特点，从而降低了心脏病的漏诊率。

“目前，成年人的心磁图可以检测出来。未来将引入多通道胎儿心磁图，该图有望在20周前用于胎儿心脏先天性疾病的诊断。可以发现，在怀孕期间可以尽早预防或干预损伤。”squid方向/心磁图项目负责人孔研究员说。

十多年来，中国进口了几套心磁成像系统，每套花费在500万到1000万人民币之间。出售给中国的海外设备还承担着为外国研究机构收集数据的任务。测量数据经过加密，只能由原始制造商进行分析。病理数据的采集也受到国外的限制，建立临床诊断标准更加困难。

中国科学院上海微系统研究所研制的心磁仪已在上海市第六人民医院、徐汇区中心医院/上海临床研究中心、中国科学院和北京309医院安装使用10年，拥有自主知识产权。现已进入临床研究阶段，正与曼迪医疗器械(上海)有限公司合作推进心磁仪的工程和产品注册。

不过，谢晓明也承认，多通道心磁仪在营销上仍面临一些困难。首先，高技术门槛使得早期研发投资时间长，成本高。其次，与心电技术相比，心磁仪的价格相对较高。更重要的是，心磁图临床敏感性和特异性的检测需要数据的积累，这就要求更多的医院和医生在临床检测中进行合作，获得高质量的应用数据。

为了促进市场应用，中国科学院上海微系统研究所也在产品研发方面做出了妥协。过去心磁仪需要一个高性能的磁屏蔽室，单个屏蔽室的建设成本在300万到500万元之间，难以在市场上推广。中国科学院上海微系统研究所采用了无屏蔽系统，从而增强了仪器的内部降噪能力，降低了成本，降低了市场应用门槛。

谢晓明似乎并不担心未来的市场应用。“从低端到高端再到个性化定制，我们希望先得到用户的认可。所有核心技术都掌握在我们自己手中，我们将有一系列方法来降低成本并在市场中竞争。”