超导器件是以超导体为核心材料制成的固态电子器件，具有零电阻、抗磁性及量子隧道效应等特性，主要应用于高精度电磁测量、量子计算、医疗成像及天文探测等领域。其工作温度通常接近绝对零度，部分高温超导材料可在液氮温区运行，显著降低使用成本。依托约瑟夫森结、RSFQ电路等技术，可构建超导单光子探测器、量子比特及高速逻辑电路，在微弱信号探测、低功耗计算等领域具备独特优势

　　。超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具备高探测效率、低暗计数等优势，已应用于量子通信、深空激光通信等领域

　　。国内已建成4/6英寸超导集成电路专用工艺平台，并实现了国产稀释制冷机的商用化

　　核心器件包括超导隧道器件和超导量子干涉器件（SQUID）。前者基于约瑟夫森效应实现零电压电流传输，后者利用磁通量子化原理检测微弱磁场，灵敏度可达10-14特斯拉量级

　　。聚焦氦离子束技术为高温超导约瑟夫森结的可控、可重复制备开辟了新路径，基于该技术已成功制备出高性能高温SQUID器件

　　，2023年推出了64比特的超导量子计算机，并计划在2024年扩展至144比特

　　。2025年诺贝尔物理学奖授予了在超导电路中观测到宏观量子隧穿与能级量子化的研究

　　。典型应用涵盖引力波探测、核磁共振成像、超导量子计算机及节能电缆等场景

　　在频谱的中段（射频至微波），可用于功率和衰减的精密测量、超导稳频腔、快速瞬态信号波形的巩谜精精密桨汗测量、模拟－数字变换器、逻辑与存储用集成电路等。超导器件的工作频率一直可燥旬鸦延伸到毫米波、红外波段，并用于高灵敏度探测和接收、宽带频率综合、激光频率下的精密测量、基础研究等方面。超导器件的功耗低、集成度高，在灵敏度、精度、响应速率、分辨能力等方面一般比室温下归朽最优的其他同类器件至少高1～2个颈讲婆数量级。

　　。1997年，日本电气公司研究员中村泰信及其同事在一个微米大小的超导电路中观察到了量子叠加的证据

　　。一年半后，中村泰信团队通过巧妙的实验，成功展示了第一个真正意义上的超导量子比特

　　2025年，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷与约翰·M·马蒂尼斯因在超导电路中实现宏观量子隧穿与能级量子化而获得诺贝尔物理学奖

　　。这一发现证实了宏观超导系统可展现量子特性，为超导量子器件实用化铺平了道路

　　超导量子比特的相干时间已从最初的极短寿命提升至数百微秒，比早期提高了六个数量级

　　。基于该技术，超导量子计算机得到发展，例如2023年日本RIKEN量子计算中心推出了64比特的超导量子计算机，并计划在2024年将其扩展至144个量子比特

　　超导体在电子学中应用的主要物理依据大体上有三类：或是利用超导态与正常态之间的相变，或是利用超导薄膜的微波表面阻抗远小于正常金属，或是利用弱耦合超导体之间电子对/准粒子的隧道效应。

　　超导约瑟夫森结基于可观测的宏观量子效应，是推动精密计量、弱磁探测、太赫兹混频等弱电应用发展的核心部件。例如，基于交流约瑟夫森效应产生的量子电压是现代电压基准的核心；基于超导约瑟夫森结的混频器可以实现比半导体混频器更低的噪声温度和变频损耗；而结合约瑟夫森结和超导环路的磁强计能够探测到地磁场百亿分之一大小的极微弱磁场(fT)。

　　SQUID的基本结构是一个由超导材料制成的电路回路，在回路中有一处或两处‘断点’，每个断点处都放置了一个约瑟夫森结。约瑟夫森结由两片超导体夹着一层极薄的绝缘体或普通导体构成，形成‘三明治’结构，超导电流可以‘溜过’中间的绝缘层，即量子隧穿现象。近年来，利用聚焦氦离子束（He-FIB）等亚纳米级精度加工技术，已能实现高质量、可控制备的高温超导SQUID，在液氮温区（77 K）实现了噪声优于100 fT/Hz1/2的磁强计性能。

　　超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种性能优异的单光子探测器，其工作原理是：处于偏置电流下的超导纳米线在吸收光子后产生局域正常态区域（热点），改变电路中的电流分布，进而通过低噪声放大器读取电流变化所形成的光脉冲响应。SNSPD具备高探测效率、低暗计数、低时间抖动、高计数率、宽响应波段等优势。

　　超导器件核心技术主要基于超导球盟会官方网站材料的零电阻、迈斯纳效应以及约瑟夫森效应等宏观量子现象，发展出多种具有独特性能的电子器件

　　。这些技术是构建高灵敏度传感器、超高速低功耗数字电路以及量子信息处理系统的基石

　　约瑟夫森结是超导器件的核心单元，由两块超导体夹着一层极薄的绝缘体或普通导体构成，库珀对可隧穿过绝缘层，表现出宏观量子效应

　　。相比低温超导约瑟夫森结，高温超导约瑟夫森结在制冷能效、上限工作频率等方面具有显著优势，但在可控及可重复制备方面一直面临挑战

　　。聚焦氦离子束技术作为一种亚纳米级精度、直写式微纳加工新方法，为高温超导约瑟夫森结的可控、可重复制备开辟了新路径

　　超导量子干涉器件（SQUID）是世界上最灵敏的磁通传感器，其基本结构是一个包含一个或两个约瑟夫森结的超导环路

　　。结合约瑟夫森效应及超导环的磁通量子化现象，SQUID的输出电压是穿过环路磁通的周期函数，周期为磁通量子Φ0，基于此构建的SQUID磁强计可实现fT（10⁻¹⁵ T）量级的微弱磁场探测

　　。基于高温超导体的SQUID可工作于液氮温区（77 K），显著降冷成本

　　。其工作原理是：处于偏置电流下的超导纳米线在吸收光子后产生局域正常态区域（热点），改变电路中的电流分布，进而通过低噪声放大器读取电流变化所形成的光脉冲响应

　　。SNSPD具备高探测效率、低暗计数、低时间抖动、高计数率、宽响应波段等优势，已在对灵敏度要求极高的应用中——如量子通信、深空激光通信、量子光源表征等——展现出不可替代的作用

　　超导转变边缘传感器（TES）利用超导-正常态相变边缘电阻的急剧变化，用于高精度光子/粒子能量测量

　　。针对原初引力波探测、X射线成像和高精度能谱分析等基础前沿应用需求，是超导探测器的重要研究方向之一

　　超导单磁通量子（SFQ）数字电路利用磁通量子作为信息载体，实现超高速、超低功耗的数字逻辑与存储电路，是超导大规模集成电路和高速数字计算领域的关键技术

　　超导量子比特（Qubit）是利用超导电路的量子化能级构造的量子比特，是超导量子计算机的基本单元

　　。超导电路实现了能级量子化，它便可用于构造量子比特，进而实现量子计算机

　　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，其制造需要专门的薄膜生长、图形化、刻蚀和绝缘层沉积技术

　　。上海市超导集成电路技术重点实验室已建成国内唯一4/6英寸150 nm节点超导集成电路专用工艺平台

　　。该平台先后完成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

　　对于高温超导约瑟夫森结的可控及可重复制备，聚焦氦离子束技术作为一种亚纳米级精度、直写式微纳加工新方法，开辟了新路径

　　。通过精确调控He+束辐照剂量，可以定量调节结区的势垒和超导特性，实现约瑟夫森结的可控、可重复制备以及高密度阵列集成

　　。2015年，S. A. Cybart团队利用该技术制备了基于SNS结的SQUID

　　。该技术也被用于制备大规模串联约瑟夫森结阵列，用于构建高线性响应、高动态范围的磁场传感器，以及将约瑟夫森结与太赫兹天线集成，用于太赫兹混频与探测

　　。国内科研机构如北京大学、中国科学院物理研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所等也利用He-FIB技术，在液氮温区实现了YBCO约瑟夫森结性能指标的优化和高性能高温SQUID磁强计、梯度计的研制

　　超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具备高探测效率、低暗计数、低时间抖动、高计数率、宽响应波段等特点，在对灵敏度要求极高的应用中——如量子通信、深空激光通信、量子光源表征等——发挥关键作用

　　。超导转变边缘探测器（TES）用于原初引力波探测、X射线成像和高精度能谱分析等

　　。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

　　。超导量子干涉器件（SQUID）阵列可作为微波阻抗变压器，用于实现高效的微波-声学转换

　　，基于其的非线性特性可构建混频器、振荡器和低噪声放大器，在太赫兹频段具有低噪声和宽带宽特点

　　超导器件与电路具有灵敏度高、速度快、损耗低、频带宽等优势，可以应用于半导体器件无法胜任的关键领域，在信息技术、天文观测、人口健康、资源探测、国防建设等基础科学和前沿技术领域具有重要的应用前景

　　超导量子比特是构建超导量子计算机的核心，1999年首个超导量子比特被演示

　　。超导纳米线单光子探测器因其高探测效率、低暗计数等优势，已成为量子通信接收端的关键器件

　　。超导量子干涉器件可用于极高灵敏度的磁通/磁场测量，是量子传感的重要平台

　　基于约瑟夫森结阵列的交流约瑟夫森效应，可产生仅取决于基本物理常数的量子化电压，是现代电压基准的核心

　　。基于超导量子干涉器件的磁强计和梯度计能够探测到fT（10⁻¹⁵ T）量级的极微弱磁场，应用于生物磁图、地球物理勘探、工业无损检测等领域

　　以超导体-绝缘体-超导体结或超导热电子测辐射计为核心的接收机，在太赫兹天文观测中具有独特作用

　　近年来，超导器件领域在基础研究、关键器件研发及产业化应用方面均取得了一系列进展

　　2025年，诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷与约翰·M·马蒂尼斯，以表彰他们在超导电路中观测到宏观量子隧穿效应与能量量子化现象的成果

　　2026年初，聚焦氦离子束技术作为一种亚纳米级精度的直写式微纳加工方法，被证实可用于制备高性能、可集成的高温超导约瑟夫森结

　　。国内科研机构如北京大学、中国科学院物理研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所等利用该技术，在液氮温区实现了YBCO约瑟夫森结性能的优化，并成功研制出低噪声高温SQUID磁强计和梯度计

　　超导纳米线单光子探测器具有高探测效率、低暗计数等特点，应用于量子通信、深空激光通信等领域

　　。2023年，日本RIKEN量子计算中心推出了64比特的超导量子计算机，并计划在2024年扩展至144比特

　　2025年，相关企业在高温超导技术的工程化应用方面取得进展，其高温超导磁体及设备在金属加工、新能源材料制造、可控核聚变、商业航天等领域得到应用

　　2024年，上海市超导集成电路技术重点实验室建成4/6英寸150 nm节点超导集成电路专用工艺平台

　　此外，超导二极管、超导参量放大器、超导存储器等新型器件的研究在2025年至2026年间也持续取得进展

　　。前沿研究聚焦于新型制备技术、新材料与新原理器件探索、室温超导潜力挖掘以及系统集成与成本控制，旨在突破性能瓶颈，拓展应用边界

　　聚焦氦离子束（He-FIB）等亚纳米级精度直写式微纳加工技术，为高温超导约瑟夫森结的可控、可重复制备及高密度集成开辟了新路径

　　。该技术通过精确调控辐照剂量，已成功用于制备高性能高温超导SQUID磁强计、梯度计（如噪声优于100 fT/Hz1/2@77 K的磁强计）以及太赫兹混频器（如集成到U形天线的YBCO约瑟夫森结观测到Shapiro台阶）

　　。国内科研机构（北京大学、中科院物理所、上海微系统所等）利用该技术在液氮温区实现了YBCO约瑟夫森结性能优化（如Ic达332 μA，Rn达0.72 Ω）和高质量器件制备

　　。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）因其高探测效率、低暗计数等优势，已成为量子通信、深空激光通信等领域的核心探测器

　　。超导量子比特作为量子计算的主流物理实现之一，相干时间已从早期微秒量级提升至数百微秒，集成规模不断扩大（如2023年日本推出64比特超导量子计算机）

　　。此外，超导二极管（如可在77 K实现100%效率的量子超导二极管）、超导纳米线存储器、超导参量放大器等新原理器件不断涌现

　　室温超导器件被视为具有革命性潜力的发展方向，旨在彻底消除对复杂制冷系统的依赖

　　。理论上，室温超导材料可被用于制造超导电子元件（逻辑门、存储器）、超导磁体（使MRI等设备更便携经济）、超导电缆（实现高效电力传输）、超导传感器（如SQUID）以及量子计算核心部件

　　超导集成电路技术向更小工艺节点（如150 nm）、多层互连发展，国内已建成4/6英寸专用工艺平台，支撑超导传感器（SSPD、SQUID）的规模化制造与产业化

　　。SSPD在国内市场占有率已超70%，并助力实现千公里级量子通信；SQUID技术在心磁图、地球物理探矿（探测深度达3000米以上）等领域实现商业应用

　　。然而，产业化的核心挑战仍包括：进一步提升器件性能均匀性与集成密度、降造成本（尤其是大型装备如超导磁体）、以及改善高温超导材料在应用环境下的长期稳定性