加快打造原始創新策源地,加快突破關鍵核心技術,努力搶占科技制高點,為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

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“九章”幕后功臣尤立星:讓國產科研儀器“有用且好用”

2023-10-26 中國科學報 胡珉琦
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尤立星?受訪者供圖

近日,量子計算原型機“九章三號”再度刷新了光量子信息技術世界紀錄——處理高斯玻色取樣的速度比目前全球最快的超級計算機快一億億倍!

“九章”背后有一位默默無聞的功臣。他雖然不被大眾所熟知,但其名字一直和中國科學技術大學中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉院士團隊深度綁定。

他就是中國科學院上海微系統與信息技術研究所(以下簡稱上海微系統所)研究員尤立星,一個被潘建偉稱為國內超導單光子探測器(SSPD)“頂梁柱”的人。

不久前,尤立星入選美國斯坦福大學與Elsevier聯合發布的第六版《年度全球前2%頂尖科學家榜單》。今年7月,他還因在“超導電子學和量子信息處理”領域的突出貢獻,獲得歐洲應用超導學會(ESAS)頒發的應用超導杰出貢獻獎。該獎項全球每兩年評選1次,每次僅評選1位科學家。

在國內,將高端科研儀器做到國際頂尖的科學家是“稀缺品”。過去15年,尤立星一直致力于國產超導電子器件與應用成果的研發和轉化。他說,他所追逐的并非超導“極限”競賽。

背后的人

2019年10月,谷歌在《自然》發表論文,稱其量子計算機已經實現了“量子霸權”。盡管其一度引發爭議,但在當時著實刺激了量子圈。

幾天后,尤立星就接到了老搭檔、中國科學技術大學潘建偉團隊成員陸朝陽教授的“任務”——希望他在5個月內提供100個高性能SSPD,加速“九章”光量子計算原型機的研發。

尤立星團隊從事的是用超導技術來做單光子探測器,服務于整個光量子信息領域,無論是量子通信還是光量子計算領域,都與潘建偉團隊保持著密切的合作。

“九章”是以光作為媒介實現計算的,而光的量子極限就是單個光子。單光子探測器就是量子極限靈敏度的光測量設備,可以探測單個光子。要是沒有這個探測器,用光傳遞量子信息就不可能實現。

“……需求緊急,請以最高優先級保障,拜托!”潘建偉的微信緊隨其后,足見該探測器有多重要。

但只有尤立星自己清楚,這樣的需求和極限任務無異。

對于光量子探測芯片,在實驗室完成樣品到實現批量供應,還要保證較高的平均探測效率,難度升級是指數級的。

“科學家的研究思維和產業界的產品思維截然不同?!庇攘⑿钦f,前者想的是怎么在實驗室把一個芯片從0到1做出來,同時,競爭對手追求的是如何進一步提升單個樣品的探測效率;而后者考慮的是如何從1到100實現工程化,不僅要實現較高的成品率,還要對用戶友好,能解決客戶的實際問題。

尤立星的與眾不同是他從0開始的那一刻起,就已經想到了1到100的過程。

作為光量子信息領域的一個關鍵器件,其國外封鎖從始至終。早在2013年,國外實驗室SSPD的最高系統探測效率已經達到90%,但進口到中國的產品遠不及這一水平。

國內單光子探測器研發起步稍晚,同時期,尤立星團隊能達到的最高探測效率只有70%多,且一度停滯不前。之所以出現這樣的困境,其實是尤立星“自找”的。

超導研究存在一個工作溫度的問題,選擇不同的材料做探測器,將會對應不同的工作溫度?!爱敃r有一種熱門材料叫硅化鎢,它比較容易實現很高的探測效率,但條件是工作溫度極低,這意味著需要用昂貴的制冷機來維持環境溫度?!?/p>

尤立星則反其道而行之,他堅持了一條較高工作溫度材料的研究路徑,大大降低了應用成本,也讓用戶使用更加友好。這種材料叫氮化鈮(NbN),但NbN要達到與硅化鎢同樣的探測效率,對材料本身和納米線加工工藝的精細化要求更加苛刻。

于是,當其他研究團隊不惜一切代價追求在更低的工作溫度下獲得更高的探測效率時,尤立星卻堅持用盡可能低的成本,默默打磨工藝技術。

直到2017年,尤立星團隊首次利用NbN材料研制SSPD創造了系統探測效率達92%的世界紀錄,競爭局面開始逆轉。在達到同等系統探測效率的情況下,SSPD成本更低、更好用,應用空間也更大。

也是從那時起,尤立星開始了SSPD的產業化運作,創立了賦同量子科技。除了探測效率,他還關心產品的成品率,以及不同應用領域技術支持和迭代的問題。

“許多學術研究的套路,就是通過不斷刷新指標來積累論文,或者換一種材料發一篇論文?!庇攘⑿翘寡?,單純從科研角度出發,選什么材料不重要,追求極致最重要?!暗谱骺蒲袃x器這還不夠,它的最終目的是有用且好用?!?/p>

因此,當潘建偉給出了那個幾乎不可能完成的任務時,尤立星團隊才能憑借相對穩定的成品率,用最短時間測試并篩選出符合需求的批量化探測器。其間,他的團隊還實現了NbN材料SSPD在光通信波段98%的系統探測效率,并將這一世界紀錄保持至今。

尤立星告訴《中國科學報》,他在最“頂尖”的論文中都不是擔當第一作者或是通訊作者,他在其中更像是一名支撐者的角色,幫助中國量子領域的諸多科研團隊解決實驗科學問題,這才是他的價值所在。

管理高手

高端科研儀器的研發通常需要多學科交叉融合才能完成,尤立星特殊的學術背景起到了關鍵作用。

2003年,從南京大學博士畢業的尤立星開始了海外的博士后研究生涯。4年里,他從瑞典查爾姆斯理工大學輾轉荷蘭特文特大學,再到美國國家標準與技術研究院(NIST),在哪兒都不安分。他笑言,自己的博士后時光是在“游學”中度過的。

尤立星本有機會繼續留在美國,“但跟著國外老板干,總有一種打工人的感覺”。2007年,他選擇“回家”。

當時,上海微系統所正計劃啟動超導單光子探測方向的研究,這和尤立星的研究領域比較契合。于是,他白手起家,建團隊、搭平臺。

“雖然那些年我一直圍繞超導電子學做研究,但并未涉足SSPD的具體研究。在瑞典,我更關注基礎研究,內容與高溫超導約瑟夫遜結器件有關;到了荷蘭,接觸的是磁探測相關研究;到了美國,又轉向太赫茲探測有關研究?!?/p>

然而,正是這段不夠“專注”的科研經歷讓他有了豐富的知識儲備,也更容易接受新鮮事物,很適合做交叉學科研究。他能迅速把握單光子探測器從無到有的技術鏈條到底需要什么。

SSPD系統包含了芯片、制冷、光學和電子學系統四大部分?!皼]有人能在所有方向都做到頂尖,我只需在各個環節找到擅長的研究人員或利用已有的成熟技術,最終合力把與儀器有關的科學問題解決好。這才是儀器研發的根本思路”。

尤立星在組建團隊時非常注重成員的不同背景方向,有做器件物理的、有做光學的、有做低溫的……“我們團隊的最大特點就是交叉程度非常高?!庇攘⑿翘岬?,這樣的團隊組合到了產業化階段,在解決用戶不同環節的問題需求時能發揮奇效。

在賦同量子科技高管張成俊博士心里,導師尤立星最突出的個人能力也許不是科研能力,而是管理能力。

“要讓一臺實驗室儀器變成一個市場化產品,光靠一個人戰斗必輸無疑?!睆埑煽≌f,“尤老師有一種魔力,從不給我們下績效指標,但總能成功激起我們的內生動力?!?/p>

尤立星則笑著回應,自己非常擅長壓力傳導,他曾把潘建偉的微信一字不落傳達給每一位團隊成員。這不僅是壓力共擔,也是使命和榮譽共擔。

張成俊還提到,在尤立星的引導下,企業團隊形成了一種獨特的文化。從研發到生產各個環節的員工都要走進產品的應用場景中,到高校、科研院所、高技術企業的實驗平臺,與那些一流學者、專業技術人員交流、向他們學習,發現自己的不足。

公司還會定期把客戶使用產品后取得的科研成果介紹給員工,把他們的個人勞動和重要的科研產出以及取得的社會效益聯結起來。

“在高端科研儀器這個嚴重‘卡脖子’領域,沒有使命感,我們‘活’不到現在?!睆埑煽≌J為,這些正反饋對團隊而言十分重要,它會增強每一位員工的精神力量。

2016年至今,尤立星團隊每年都獲得中國科學院大學教育基金會資助的上海微系統所“新微之光”獎?!斑@是對整個SSPD研發團隊工作的肯定,也是對我們這種團隊協作、交叉合作科研模式的認可?!?/p>

“消失”的銷售

無論何時,高端科研儀器賽道的應用面都比較窄,且賦同量子科技的產品售價也與進口產品持平。但讓尤立星自豪的是,他們與國際上其他5家企業在中國市場競爭中遙遙領先,國內市場占有率近80%。

尤立星說,企業目前的商業模式比較特別,由于量子技術的發展非常迅速,用戶需求也在不停更新,因此,賦同量子科技提供的既不是完全成熟的固定型號產品,也不是完全定制化的產品,其中定制部分占50%。而這種模式最考驗產品團隊的服務能力。

“科研儀器研發的最大阻礙就是走不出實驗室,與客戶需求脫節?!庇攘⑿侵毖?,實驗室產品的研制、測量是在精細、可控的環境下完成的,一旦進入應用場景,就會出現許多復雜的影響因素,工作環境變了,產品的適配度就會下降。

而尤立星的產品策略是,始終把和應用端科研人員的配合放在第一位?!拔覀儠褜嶒炇译A段還不太成熟的儀器拿到用戶實驗室做測試,及時發現問題并作出調整?!?/p>

“我們的團隊里沒有銷售的概念,每位員工的定位都是科學家的合作伙伴。我們用專業的語言和專業的用戶對話,回應他們的每一項專業需求,從而贏得他們的信任?!闭沁@種務實的理念,顛覆了很多用戶對于國產科研儀器“便宜不好用”的看法。

2022年3月,賦同量子科技走出國門,成功拿下首個歐洲訂單;同年7月,其位于意大利那不勒斯的“歐洲Demo中心”正式啟用,主要是為承接歐洲用戶的試用、科研合作服務;同年8月,尤立星牽頭制定的全球首個單光子探測器國際標準經國際電工委員會(IEC)批準正式發布,這也是我國牽頭制定的首個超導電子學領域國際標準。

高端科研儀器一直是重要的國際競爭領域,在量子技術這個中國科學家有望取得優勢的“科技制高點”,尤立星呼吁科學界支持并優先使用國產高端科研儀器。

(原載于《中國科學報》 2023-10-26 第4版 人物)

打印 責任編輯:侯茜

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