超导集成电路技术是集成电路制造、超导物理与电子技术等多学科交叉的产物，以超导微观理论和多种量子效应为基础，可研制超导集成电路、量子比特电路和量子传感器/探测器等，具有高速度、低功耗、低噪声、大带宽等突出优点，在高性能计算、量子信息处理和极高灵敏度探测等下一代信息技术中发挥不可替代的作用。
上海市超导集成电路技术重点实验室是2023年度立项筹建的重点实验室之一，依托中国科学院上海微系统与信息技术研究所，尤立星研究员担任主任。实验室面向信息技术领域国家战略需求和世界科技前沿，定位于超导电子技术应用基础与应用研究，针对超导电子器件与集成电路领域重大科技问题与高性能计算核心技术挑战，开展超导薄膜与器件物理、超导大规模集成电路设计、工艺与测试表征技术、超导集成电路芯片与系统集成等应用基础研究与应用探索；建成国际先进的超导集成电路研发制造线，研制超导传感器/探测器、超导集成电路和超导量子芯片及应用系统，引领我国超导电子技术学科与产业发展，为后摩尔时代信息技术可持续发展提供超导解决方案。
后摩尔时代的集成电路
半导体集成电路是发展人工智能、数字经济、促进城市数字化转型的基础，更是衡量一个国家综合竞争力的重要标志。随着半导体CMOS技术进入亚10纳米节点，其自身发展也遭遇困难，器件微缩逼近物理极限，速度和功耗成为难以跨越的瓶颈，延续摩尔（More Moore）、超越摩尔（More than Moore）和后CMOS（Beyond CMOS）齐头并进的国际竞争新格局已经初步形成，集成电路正式步入后摩尔时代。
基于超导集成电路的宽带约瑟夫森参量放大器、超导行波放大器以及基于超导集成电路皮秒级脉冲的超导量子比特控制电路是突破现有超导量子计算机规模化的核心技术，也是公认最有希望的超导量子计算机经典/量子界面的接口技术。
超导门线路量子计算主要以Al材料约瑟夫逊结为基础开展研发，其未来的可扩展性面临着Al基超导大规模集成电路工艺的挑战。近年来，探索基于Nb基超导集成电路的量子比特越来越受到关注，它有望复用现有的超导大规模集成电路工艺，解决超导量子比特大规模扩展的难题。国外最新科研成果显示全Nb基超导量子比特可实现高达62微秒的退相干时间和105的品质因子，这展示了Nb基门线路超导量子计算的巨大潜力。
超导传感器和探测器由于突出的性能优势，在极限灵敏度探测等应用领域发挥了不可替代的作用，已在全球形成一定规模的专用市场。基于超导集成电路工艺技术可规模化制造超导传感器和探测器，超导条带光子探测器（SSPD）具有接近理论极限的探测效率和极低暗计数率，已经广泛用于光量子信息领域，为量子通信和光量子计算技术的飞速发展提供了关键支撑，并在深空探测、激光雷达和生物荧光显微等领域也具有重要应用前景。超导量子干涉器件（SQUID）是一种通用磁通传感器，可以测量磁场、磁梯度以及电压、电流、位移等能够转为磁通的物理量；基于SQUID的超导脑磁图和心磁图等生物磁图仪产品已经进入生命科学研究和临床应用市场；基于SQUID的极低场磁共振成像是极具竞争力的低成本、可移动磁共振成像技术，对于磁共振产品的普及应用，救护车等移动平台上的应急应用等具有重大经济价值和社会价值；SQUID磁场、磁梯度、重力梯度测量技术在地球物理探测领域的优势已经获得充分验证，市场应用呈现明显加速趋势。超导热电子辐射计（HEB）和超导转变边传感器（TES）等器件也已经在天文领域获得广泛应用。
图1.IEEE国际器件与系统路线图IRDS（https://irds.ieee.org）
2018年起，由IEEE国际半导体技术路线图（ITRS:International Technology Roadmap for Semiconductors）衍变而来的国际器件与系统技术路线图（IRDS：International Roadmap for Devices and Systems）设立了十个国际焦点组（IFT:International Focus Team）。包括超导分立器件、集成电路和量子比特在内的超导电子技术作为其中一个IFT（CEQIP：Cryogenic Electronics and Quantum Information Processing）的核心内容，已成为国际信息技术领域的前沿阵地和未来微电子产业国际竞争的焦点之一。
建成国内唯一4/6英寸150 nm节点超导集成电路专用工艺平台
上海市超导集成电路技术重点实验室拥有我国唯一从事超导集成电路技术研发的团队，自2005年创建，已建成国内最大且具有国际竞争力的研发队伍和国内唯一4/6英寸150 nm节点超导集成电路专用工艺平台，形成了包括分立器件、集成电路和量子比特在内的完整研发体系。先后承担“超导电子器件应用基础研究”等中国科学院B类和A类战略先导专项、国家重点研发计划、科技创新2030重大项目等国家重大科技攻关任务。
先后完成4英寸四层和八层Nb基超导大规模集成电路设计与集成工艺研发，其中“SIMIT Nb03”标准工艺作为中国唯一超导IC工艺入选IRDS，填补了我国超导大规模集成电路技术长期空白。作为中国唯一具备Nb基超导大规模集成电路研发能力的单位，实验室正在布局开展Nb基超导量子芯片和操控电路研发，并在此基础上发展超导量子计算应用系统。
图2.超导单磁通量子SFQ电路原理
在超导传感器和探测器及其应用方面，实验室已经迈出坚实一步。SSPD探测效率、暗计数等指标处于国际领先水平，和用户合作创造千公里级量子密钥分发距离和100Mbps成码率速度量子通信应用世界纪录，持续助力九章系列光量子计算机保持量子优势，应用成果两次入选两院院士评选“十大年度科技进展新闻”。2022年牵头制定并发布SSPD领域唯一国际标准IEC 61788-22-3；SSPD已实现产业化并实现国内外销售，国内市场占有率超过70%。
基于SQUID的多通道心磁图技术实现转化，转化公司获二类医疗产品注册证并实现商业化销售；完成胎儿心磁图仪研发，在脑磁图、肠胃磁图、神经磁图和极低场磁共振成像等系列超导生物影像仪器研发不断取得进展。
在地球物理探测领域，基于SQUID的地面超导瞬变电磁接收技术实现转移转化，与紫金矿业、中国有色等国内大型矿企开展商业化合作，在国内外多地开展了工程探矿应用，钻探验证探测深度达到3000米以上，该技术还在考古、工程勘察、水利工程与土壤治理领域具有广泛的应用前景；自主研发国际第二套航空低温超导全张量磁梯度产品实现初步应用验证，即将进入商业化探矿阶段，成果入选中国科学院改革开放四十年40项重大突破；2022年，SQUID地球物理团队荣获全国颠覆性技术创新大赛最高奖项——总决赛优胜奖。
图3.SSPD（左，扫描电镜）和SQUID（右，光学显微镜）照片
基于上海微系统所近20年的研究积累，围绕超导传感器与探测器应用已经成立三个小型高科技公司（漫迪医疗、新联超导、赋同量子）。通过产研合作，推动超导电子技术在生命科学、地球物理以及量子信息等领域商业化应用。相关产研合作为未来超导集成电路技术的大规模产业化奠定了良好的基础。
上海是中国集成电路综合竞争力最强，也是我国信息技术发展需求最迫切的城市。超导集成电路技术的研发及应用，不仅将极大地推动上海集成电路以及电子信息技术的发展，更可为上海数字化转型和可持续发展的提供创新性的技术解决方案。上海市超导集成电路技术重点实验室不仅致力于超导电子学学科的可持续发展，更旨在将实验室打造成为全球超导集成电路科学与技术研发高地，进而推动上海发展成为超导集成电路技术全球产业化的领军城市。点实验室是上海市科技创新体系的重要组成部分，是组织开展高水平科学技术研究、集聚培养优秀科技创新人才、开展高水平合作交流的创新策源基地。重点实验室的主要任务是面向国家与本市重点发展战略领域，开展基础研究、应用基础研究和前沿技术研究，获取创新成果和自主知识产权，打造创新策源和人才高地，培育发展新质生产力，创新赋能区域发展，构建具有本市特色的科技创新实验室体系。