近日，复旦大学安正华教授课题组和合作者，提出一种“超导视网膜”技术，并打造出一种超导感存算器件，为智能夜视红外感知、工业检测、以及超导计算机提供了新的可能。
这款器件能够模拟人眼视网膜感知功能，在灵敏度和波段范围等方面实现了明显超越。
其采用共振吸收和光耦合的设计，让其器件得以拥有极高的感知灵敏度。
这不仅提升了器件的功能效率，也为量子计算和光电转换等领域的应用开辟了新道路。
也意味着，通过深入探索并利用超导材料的独特属性，可以在信息处理技术中实现更多突破。
总的来说，对于利用超导器件之中电驱动和光驱动之前的相互作用，本次研究提供了新的方向。
对于那些感知灵敏度要求高、数据量生成较大的场景来说，此前往往难以进行快速数据传输和后续信息处理，而本次器件恰好可以解决这些问题。
比如，在实时检测空中气象变化时、或利用超导量子计算进行红外大数据目标监测时，通过使用本次器件，都可以针对感测数据进行本地、快速、直接的预处理，从而达到数据压缩的目的，进而减轻远程数据处理的负担。
更重要的是，“超导视网膜”技术还突破了人类视网膜只能感应可见光波段的局限，展现了对于长波红外波段的应对能力。
这一特点使其能够用于夜视和恶劣气候等特殊场景，可以根据具体应用环境的需求，针对波段、偏振等参数进行精确的设计和优化。
这让超导视网膜技术不仅能提供传统视网膜所不能覆盖的功能，还能以极高的效率和灵敏度执行复杂的监测任务。
实验结果显示：本次器件的功耗密度低于当前半导体芯片的功耗密度。
同时，这款器件可以产生超导态无功耗电流，这让其能够用于量子态信息的存储，为“人造视网膜”的研发带来了更大的提升空间。
基于此，预计它将大幅提升现有技术对于微弱热信号的探测能力，有望彻底改变特定行业对于信息感知和信息处理的方式。
从而助力于安全防御、环境监控和灾害管理等领域的精密检测技术的发展，能为超导技术在红外探测领域的应用开拓新的可能，也为科研仪器的精确探测提供了坚实基础。
（来源：Light: Science & Applications）
超导材料，缘何备受青睐？
据介绍，在后摩尔时代的背景下，人们迫切希望研发能够突破 传统冯·诺依曼架构的新型信息处理技术。
在量子计算、光子计算和神经形态计算等领域，学界已经做出一定进展。
尽管这些创新技术各具优势，但与成熟的硅基技术相比，它们还或多或少存在一定的局限性。
因此，预计智能化时代很难完全由单一的新技术主导，更可能是通过多种新兴计算技术的强强联合、融合互补，共同实现人类对大规模信息处理的需求。
面对这一挑战，探索不同新型计算技术之间如何有效互动，并实现相互补充的整合，成为了一项关键任务。
该探索的意义在于：弄清楚到底该怎样为基于新架构的计算机，赋予能够相互感知和理解人类需求的“明亮的眼睛”，从而实现真正的智能化交互和响应。
要想实现这一目标，就需要从材料科学、计算机科学到人工智能的跨学科合作，从而让计算机不再只是冰冷的数据处理机器，而是能够成为与人类沟通的智能伙伴。
预计这一愿景将能够重塑人机交互理念，带来更加自然、更加直观、更具同理心的交互方式。
通过模仿人类感知对话的机制，未来的计算机将能够更好地理解人类的意图和情感，从而提供更加个性化和富有洞察力的服务，进而开启智能化计算的新时代。
而要想实现类似于人类眼睛的“视网膜”感知功能，并在性能上予以超越，就必须选用合适的感知材料和精细的器件工艺。
这不仅涉及到感知灵敏度的提高，还包括对更宽波段范围的覆盖。
为此，安正华课题组与上海科技大学宋艳汝副研究员课题组合作，将研究重点转向了超导材料。
此前，超导材料已被用于量子计算和光量子信息处理领域，并尤其以在超导量子比特领域的应用而闻名。
与此同时：
在科技巨头中，超导材料已经被谷歌、IBM、英特尔、微软和亚马逊等使用；
在初创企业中，超导材料已被 Rigetti Computing、Alice&Bob、IQM 和 Oxford Quantum Circuits 等使用。
特别是谷歌宣称实现的“量子优势”，均以超导材料为基础进行。
而由中国科学家研发的“九章”光量子计算原型机，同样选择使用超导材料，来制造纳米线单光子探测器。
这些案例，也为研究人员开发超导“视网膜”带来了启示。通过此，他们结合超导材料的特性、以及精细的器件工艺调控，开发出了这款感测器件。
（来源：Light: Science & Applications）
构建类似人类晶状体的显微镜光路
更具体来说，本次课题起源于研究团队承担的一项国家重大科研仪器项目。
该项目旨在研发红外波段超分辨热显微镜，目的是为了探测芯片底层晶体管在工作过程中，所产生的热红外发射微弱信号。
这一项目所要需的探测器，对于灵敏度有着极其严格的要求。
因此，该项目的关键目标之一在于：开发一种“红外视网膜”技术，以便感知手机芯片或电脑芯片中的晶体管所产生的微弱热信号。
只有这样，才能通过配合红外透镜等元件，构建类似于人类眼睛晶状体的显微镜光路，实现全面的“红外眼睛”功能。
为了达到这一目标，课题组探索了半导体和超导两种不同的技术路径，他们发现两者都具备单光子级的极限探测能力。
尤其是超导探测器，凭借高度的灵敏度和广泛的光谱响应范围，成为本次项目的理想选择之一。
在导师安正华和合作者宋艳汝的共同指导之下，复旦大学博士生陈冰心从超导材料生长、器件设计、制造工艺、到精密光电检测等多个方面，开展了系统化研究。
图 | 第一作者陈冰心博士（来源：陈冰心）
既发表论文，也入选相关比赛总决赛
研究中，课题组发现要想实现地球表面大气环境下的感知应用，包括对于晶体管发热信号的感知，就必须选择红外透明的波段比如长波红外（8-14 微米）。
尽管超导材料具有较好的探测灵敏度、以及较宽的波长覆盖范围，但是依旧很难打造适合于长波红外波段的高灵敏超导探测元件。
举例来说：光探测中常用的超导铌材料，具有良好的金属性。
因此，铌材料会像镜子一样具有很强的反光性能，所以无法高效地吸收红外光，自然也就无法产生可被测量的光电转换信号。
为此，该团队设计了图形化铌-介质-铌的三明治夹心面包结构，让原本光亮如镜的铌薄膜变为全吸收的高效红外光吸收结构，看起来犹如光子黑洞一般。
然而，测试发现：过高的红外光吸收效率，导致夹心结构很容易吸收室温环境下所发出的普朗克黑体辐射，以至于复合结构难以达到超导临界温度。
对于这一问题，课题组一度以为原因在于铌薄膜生长质量问题。
但是，通过和上海科技大学宋艳汝副研究员团队的合作，他们确认了铌薄膜生长工艺、以及超导性能的可靠性。
进一步的研究发现：“失超”现象主要因为器件具有很高的红外吸收效率，这会导致室温红外背景辐射会对样品进行显著加热。
这也说明本次器件具有极高的红外响应能力，同时也暗示了在使用这款器件的时候，应该做到缩小视角、以及避免广角背景辐射的影响。
只有这样，才能以更高的灵敏度，去感知探测目标所发射的微弱信号。
就好像当一名天文爱好者使用视角很小的望远镜，来凝视遥远的星星的时候，应该避免烈日炎炎或皓月当空的背景干扰一样。
而在测试中，他们还发现器件电阻会随着驱动电流的上升和下降，呈现明显的滞后现象。
对于这种回滞现象，此前人们一般认为它会影响光探测的响应速度，因此会尽可能地避免。
然而，陈冰心发现这种回滞现象、以及对应的超导双稳态，其实可以很好地被驱动电流和脉冲光照所调控。
在电脉冲和光脉冲的联合调控之下，处于回滞区的器件，能够在双稳态之间被灵活操控。
在这一现象的启发之下，该团队利用这种双稳态，让本次器件实现了传感、计算、存储的“三合一”功能。
其还发现：对于这种双稳态来说，它可以被多态电脉冲和光脉冲进行联合编码和控制，从而能够实现具有丰富功能的信息加密传输应用。
另据悉，对于基于超导双稳态的感存算器件来说，其在工作中的功耗大小，是芯片性能的关键指标之一。
对于传统半导体晶体管来说，其“关”态电流非常小因而发热较少，而“开”态较大的电流和非零电阻则导致芯片产生显著的焦耳热效应，从而给芯片的散热带来巨大的负担。
事实上，这也是后摩尔时代芯片集成度快速上升所面临的“热瓶颈”“功耗墙”等问题的核心源头。
而与传统半导体芯片不同的是，此次研发的超导感存算器件中的电流，并不一定会产生焦耳热，
当器件处于超导态的时候，由于零电阻的存在，器件流动的电流并不会产生功耗，只有处于正常态的时候才会产生功耗。
（来源：Light: Science & Applications）
日前，相关论文以《超导体长波红外传感器》（Reconfigurable memlogic long wave infrared sensing with superconductors）为题发表在 Light: Science & Applications（IF 20.6）。
复旦大学博士生陈冰心是第一作者，复旦大学安正华研究员和上海科技大学宋艳汝副研究员担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）
凭借这项成果，陈冰心博士已经获得 2024 年全国光学与光学工程博士生学术联赛的全国总决赛优秀奖和 Light Conference 2024 最佳海报奖。
相关概念同样适用于高温超导材料
不过，团队人员坦言：“尽管本次课题采用了低温超导材料，其核心思想却并不局限于此。”
实际上，这一创新概念同样适用于高温超导材料。这意味着一旦高温超导甚至室温超导实现重大突破，它极有可能成为具备感存算一体化功能、能够用于机器视觉新架构的“视网膜”材料候选之一。
由此打造的高温超导“视网膜”不仅将大幅降低超导技术应用的复杂性和成本，也将显著扩展其应用范围。
需要明确的是，尽管本次成果提供了一个不错的起点，但要想将这种概念推进到更广泛的应用之中，还需要更多的后续研究。
因此，课题组 后续 打算进一步扩展本次探测器的光谱分辨能力。
就好像人眼视网膜可以辨识多种颜色一样，假如能够实现超导感存算探测器的光谱分辨功能，则将克服现有器件在感知上的“色盲”局限。
通过利用超导材料的宽谱探测特性，该团队希望实现对于多个波段、甚至全波段的智能全方位感知能力。
预计这一功能将极大丰富新计算架构中的信息处理能力，从而能够打造出一种类似于光纤通信中的波分复用技术。
这不仅能为实现更精准、更高效的数据处理和通信提供强支持，也能助力开发新一代的机器感知和信息处理技术。
同时，该团队还将探索与 AI 技术的交叉融合，预计通过将超导探测器件和 AI 技术结合，将不仅能推动感存算一体化技术的发展，还将为解决复杂的信息处理问题开辟新方法。
不仅为高性能计算和智能信息处理带来更多进展，还有望让超导感存算一体化技术为机器视觉等领域带来革命性的影响。
参考资料：
1.Chen, B., Xue, H., Pan, H.et al. Reconfigurable memlogic long wave infrared sensing with superconductors. Light Sci Appl 13, 97 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01424-2
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