作者| 尤立星，超导电子学领域研究人员。
这个图片见过吗？《人鬼情未了（The Ghost）》里面的灵媒。91年拿了两项小金人的电影。作者这个年代的人应该都看过这个片子的，特别是动听的主题曲 Unchained Melody: oh, my love, my darling, Ive hungered for your touch……
灵媒是干嘛的？简单讲，就是中介。男主挂了，进入另外一个世界，需要和活着的女主进行沟通，最终一起战胜了杀死男主的坏人。灵媒就是负责阴阳两界沟通的。很重要，中介总是很重要的，而且很贵（比如链家，现在就是上家1个点，下家2个点）。“后浪”们可以看看这个电影，还是很容易催人泪下的……
室温和低温也是两个世界，可以说是阴阳两界，或者说是黑白两个世界。低温，意味着就是一个黑暗世界，没有光，没有辐射，或者辐射很少，因为有辐射就有温度了，所以说低温是个非常单纯的世界，像个不谙世事的孩子。室温就不同了，乱遭遭的，啥辐射都有，还有光。白光就是各种乱七八糟波长的光的混合嘛，可以说是一个乱七八糟的成人世界。小朋友一旦长大，也就不淳朴了。但是人类就是生活在室温，为啥要用到低温呢？今天我们不讨论想吃冰淇淋这类冰箱的低温需求，讨论的是很低很低很低的深低温的需求。
为啥要低温？
对于信息技术而言，有两个常见的技术需求，一个是量子信息技术，一个是超导电子技术。当然了，不少量子信息技术是用超导电子技术来实现的。因为要用到低温技术，就不可避免要出现互联问题。去低温混，总要出室温还的。而且人类是进不了低温的。因此室温和低温的互联就非常重要了，而且要付出相当高的代价的。
量子为啥用到低温，上篇公众号文章“量子计算到底该多冷”聊过。量子信息能量太弱了，为了避免外界的骚扰，温度一定要足够低。量子信息就像现实社会的爱情。温度（热）就是那“小三”，没有“坚不可摧”的爱情，只有不努力的“小三”。所以通过降低温度把“小三”搞残很重要。
超导和低温的关系就是一对混得不太好的难兄难弟。都是百岁老人了，还总是处于“叫好不叫座”的状态。超导总是说：低温太不争气了，总是这么大，这么贵，用起来还很麻烦，让我们超导没办法大规模应用；低温总是反驳：你超导总是没啥大的应用，这样我们低温技术没法大发展，系统也小不了，价格也下不来。吵了上百年，双方都还是做衣衫褴褛的吃瓜群众，看着高富帅的半导体信息技术天天走台啊。说起来都是一把辛酸泪啊……其实低温混得比超导还是好那么一点点的，因为超导离不开低温，但是低温可以离开超导啊！至少还可以做ICECREAM吃、还可以吃“冻梨”（大东北神奇而好吃的水果之一）嘛。作者读研究生的时候，也不记得是哪位超导行内专家在全国超导大会做报告说，“据预测，超导电子技术的市场可以达到百亿规模……”，然后作者就被忽悠上这条不归路了，今年刚好是，一失足千古恨啊，也不知道找谁报仇去……
低温室温如何互联？
低温技术可以在信息获取（高灵敏度传感器与探测器）和信息处理（量子信息、超导计算、低温器件操控和读出等）上存在一些室温技术无法具备的独特优势。但必须要在室温和低温之间建立特定的互联技术。阴阳/黑白两界还是需要沟通的，一切问题其实都是可以通过沟通来解决的。这就是我们常说的I/O（Input/Output）。一方面是输入，如何从室温将信号传输至低温；另外一方面，如何将低温产生的信号传输至室温。
信号传输包括有线和无线两种方式，低温系统的金属屏蔽使得无线技术很难使用，此外无线发射也是不可控的噪声源。因此主要采用有线方式。低温和室温的有线互联目前主要依赖于电缆。关于光互联我最后再做一些讨论。
图1：低温室温光（电）互联示意图
不熟悉低温的人会认为互联是个很简单的事情，拿一根线缆连起来，把低温信号传输出来不就行了吗？No~~No~~No 远不是这么简单。因为低温的冷量非常有限，每一根线缆都是一个漏热的通道。或者说，都是低温系统的负载，就像一个蓄水池上接了一根排水管，可能把这个蓄水池的水漏光光的。线缆的长度和直径、采用的金属材料的种类都会影响这根线缆的热传输能力，从而决定了给这个低温系统添加的负载。如果不优化低温室温互联技术，对于最低温度100mK以下的低温系统，一根随便接的电缆就能让你的低温系统最低温度飙到1K，是不是一夜回到解放前的感觉？更为可怕的是，很多应用系统，比如量子计算系统，需要上百根线。所以低温与室温的互联技术很重要。
单纯考虑漏热其实很简单，只要选择低热导率的材料，把线缆直径做的小一些，线缆做的长一些，漏热就可以降下来了，对不？全对。但是…… （有价值的信息都是“但是”后面的）。但是，线缆是干嘛的？传输电信号的！咱不能忘记电信号的传输能力啊。下面就是划重点的部分了，必考题。有个魏德曼-弗兰兹（Wiedemann-Franz）定律。热导率（Kappa）与电导率（Sigma）满足关系Kappa/Sigma=L*T。L是常数，T是绝对温度。简单一些说，好的热导体就是好的导电体。差得热导体导电性能也差。完蛋了，顾头不顾腚啊。世界就是这么公平！
科学家是干嘛的？就是折腾的。其实本质上是一种妥协。非常Precisely搞清楚到底想要什么，然后找优化（“妥协”）的方案。比如，一般室温微波信号传输，用铜甚至铜镀银的同轴线是比较理想的，衰减小。低温下不行，铜的导热率太大了，漏热太厉害，制冷机的冷量扛不住。怎么办？首先我把线做得细一些，这样导热就小了。从常见的2.2mm的外径，减小到0.86mm甚至0.33mm，然后我再把材料从普通铜Cu换成热导率小的铍铜BeCu。不行，这样好像导电性能太差了些。那我再做些弥补的工作，我可以把同轴线的芯BeCu材料再镀一层银，这样增加一点点漏热，但是电衰减就没那么大了。是的，现实就是这么鸡贼。
实际应用当然还要根据需要做合适的选择。还是有很多选项的。比如一种同轴线的替代方案也有了，就是柔性线。基于特殊材料的柔性微带线或者带状线可以进行各种设计，能够在损耗不那么高、漏热不那么大的情况下，支持高频达10G以上的信号传输。可以满足常规的量子计算等需求了。当然了，再高频率的电信号传输还是要利用同轴线的。
图2. 微系统所/赋同科技研发的射频柔性微带线，可支持4K温区工作，4-40K, 30cm长，漏热<0.5mW，传输率>10Gbps。
低温放大器
还有一个很重要的信息其实上文没有提及，那就是低温下产生的电信号一般都是比较弱的。太强的信号，背后意味着可能很高的能耗，所以在能耗受限的低温下产生大幅度的电信号本身就是不合逻辑的。而微弱的电信号要想传输到室温必须要面对传输线的衰减。如果本来就是mV甚至nV级的信号，即使不考虑传输线的衰减，都很难直接传输到室温，因为室温的电信号的背景噪声往往都是mV级，直接就淹没在室温背景噪声里面了，更何况还有线缆的衰减。就像一个单纯的小孩出来混社会，肯定会死的很惨一样。所以需要有低温下的放大器。
问题来了，常温放大器到低温下可以用吗？答案是有些可以，有些不可以。背后的机理是硅材料CMOS有个低温下载流子的“冻析”效应，也就是载流子都被冻住了，不干活了。因此需要利用一些特别的材料（比如SiGe），低温下还有足够多的载流子，另外还要充分考虑低温下材料与器件参数和室温是不一样的，否则室温下可以正常工作，低温下特性就差得老远了。还有一点，功耗不能高哦。太高了就是奢侈品，低温下享受不了的。不过低温的东西就是儿童用品，价格都特别“讲究”。
你去打听打听低温下的放大器的价格，什么加州理工的，瑞典低噪工厂的，一般都是几万人民币一个的价格。成本多少？不超过1000元人民币。这就是技术领先一点点的附加值。低频段的一些低温放大器其实国内也有产品了。比如上海天文台等已经将自己研发的低温放大器用在天文望远镜接收机中。赋同科技和上海微系统所一起研发的低温（4-40K）低频段超宽带（100K~1GHz)放大器已经有产品了，并已经用在超导单光子探测器低温读出电路中了，效果也还不错。
互联的延时问题
这个细节一般大家不太注意到。但是，在实现双向信息交互，或者高速通信的时候，这个就很重要了。因为低温室温需要通过线缆连接，而且线缆的长度受限于制冷系统的体积，一般不会非常短，4K到300K的互联，50cm长线缆算是非常短了，1-2米是很常见的。以1米计算，考虑信号在同轴线中的传输速度约是光速的2/3，20万公里/秒，信号从低温传输到室温的延时就是5ns。如果是交互式的，那么信息传输的速度就不可能超过100MHz。这个问题理论上是无直接解的，不过有绕道走的办法。那就是多根线并行，这样速度就能提升了。但是实际是把问题转嫁到多根线漏热的问题上来了。
光互联技术
11月，美国情报高级研究计划署IAPRA提出SuperCables（超级线缆）项目，项目目标是：发展室温和低温计算系统间高能效和高速率数字信号传输技术；Supercables项目核心是发展将4K温区电路低电平信号转化成室温常用光信号。这个项目应该是和美国不太成功的C3（超导计算机）项目高度配合的。
室温光互联，甚至是芯片上的光互联一直是非常热的研究和产业方向。也已经有很多商业产品了，从普通的光通信应用到超级计算机应用。低温光互联其实也是个非常好的概念。理由有很多：（1）光互联漏热比电互联小2个数量级，因为光纤是玻璃（SiO2）做的，绝缘体材料的漏热几乎是可以忽略不计的。（2）光纤是可以复用的，一根光纤可以具备信息容量比电缆大2个数量级恐怕还是很谦虚的说法。（3）光传输的损耗很小，商用光纤一公里才0.2dB，1、2米长的光纤损耗简直就是毛毛雨啊，完全忽略不计的。（4）光纤具有很强的抗干扰，抗电磁辐射的能力，一般微弱电信号传输非常担心不小心就淹没在噪声里的情况，在光通信里面就没传统的电磁干扰的事情了。（5）至于光纤很便宜这种硬理由就不应该说了，搞科研的往往并不喜欢太便宜的东西，显得层次不够。
听上去又是一个完美的解决方案。但是，又但是了。尽管听上去很完美，实际还是有很多问题没有解决的。（1）室温工作的电-光器件在低温下还工作不？所有的材料在低温下物性都会发生或多或少的变化，不管是直调的激光器还是外调制用的调制器。（2）传输漏热因为使用光纤确实可以忽略了。但是低温下的光学器件的功耗是不能忽略的啊。你给我一个几瓦的激光器，估计一台小型制冷机就能被搞残了。（3）前面讲到过，低温下的电信号一般都非常微弱的，mV到nV级，这么微弱的信号能够调制光信号嘛？上述这些问题，都可以归结为，低温下低功耗小信号驱动的电-光器件。这个其实是个很有意思的研究方向。这也是为什么 IAPRA部署SuperCables项目的原因。
实用化低温室温互联技术范例
低温室温互联是个非常有挑战性的工程技术问题。美国著名的超导电子技术高科技公司Hypres在该领域已经开展很长时间的研发工作，也取得了不少实战经验。这里给一个图，来自于附录的参考文献。图中给出了一组不同速率低温室温互联的解决方案。显然，已经有成套可行“妥协”的技术了。“核心技术靠化缘是要不来的，只有自力更生”。我们要想自己搞定所有电互联技术，还有一些路要走（背后的意思就是，还需要有足够的经费支持去做这个事情）。
图1. 10G-30G低温室温互联解决方案（From Hypres ）
最后做个小结，低温和室温互联是个很有意思的课题，其实里面还会涉及到很多工程和器件的科学问题。
● 对于搞量子信息和搞超导的人，你们是这个技术的用户，只要知道和理解它很重要就行了，总有人会解决这个问题的，因为有需求。
● 对于搞交叉学科的人，这个其实是个好方向，不管是做电路还是做光器件的，你不用在传统领域里面和千军万马去竞争， 到了低温（光）电子学这个领域，你可能就是下一个王者。做事业，这个是可以做到退休的（以我到退休来计算，）。
● 对于搞产业化的人，这是个生意，不过是小生意（相对于太多的什么百亿级的市场来说），估计不会上啥科创板的。但是做得好，肯定不会亏的，做个“隐形冠军”，实现“社会价值”没问题，小康生活还是可以保障的。
参考文献：D. Gupta, S. Sarwana, D. Kirichenko, V. Dotsenko, A. E. Lehmann, T. V. Filippov, W.-T. Wong, S.-W. Chang, P. Ravindran and J. Bardin, IEEE Transactions on Applied Superconductivity 29 (5), 1-8 ().
