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室溫超導(dǎo)

究竟是什么~

室溫超導(dǎo)真的來(lái)了？

(相關(guān)資料圖)

近日，來(lái)自羅徹斯特大學(xué)的Ranga Dias團(tuán)隊(duì)宣布合成了一種超導(dǎo)材料，能在21℃室溫，僅1萬(wàn)個(gè)大氣壓的條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性能。比起以往的超導(dǎo)材料，其所需大氣壓下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

這對(duì)于常溫超導(dǎo)研究簡(jiǎn)直是一個(gè)重磅炸彈，瞬間點(diǎn)燃了人們討論的熱情。

Ranga Dias教授報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)

然而，Dias的研究經(jīng)歷也不斷被扒出：曾經(jīng)轟動(dòng)一時(shí)的金屬氫以及它離奇消失的事情，登上《Nature》封面又被撤稿的事情，和理論物理大神Jorge Hirsch的“對(duì)峙”……一番操作下，他的室溫超導(dǎo)研究的八卦屬性被拉滿了。

我們且不說(shuō)Dias室溫超導(dǎo)的研究

是真是假

如果未來(lái)室溫超導(dǎo)能大范圍推廣應(yīng)用

氣象領(lǐng)域會(huì)迎來(lái)怎樣的技術(shù)變革？

氣象預(yù)報(bào)會(huì)因此變得更準(zhǔn)嗎？

我們大膽展望一下~

等等，先科普兩個(gè)概念

什么是“超導(dǎo)”：超導(dǎo)，指導(dǎo)體在特定溫度下，電阻為零的狀態(tài)。超導(dǎo)體不僅具有零電阻的特性，另一個(gè)重要特征是完全抗磁性，在電力、通信、軍事以及醫(yī)療等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

何為“室溫超導(dǎo)”：室溫超導(dǎo)是指超導(dǎo)體在室溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。傳統(tǒng)上，超導(dǎo)體需要在-200℃乃至接近絕對(duì)零度的極低溫度下工作，這無(wú)疑限制了其廣泛應(yīng)用。室溫超導(dǎo)的出現(xiàn)將為超導(dǎo)技術(shù)帶來(lái)革命性變革，可能會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和科技上的影響。

超導(dǎo)濾波器

讓氣象雷達(dá)“起死回生”？

首先，是超導(dǎo)在氣象雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用。

其實(shí)約二十年前，我國(guó)科學(xué)家就曾嘗試將氣象雷達(dá)改造成為超導(dǎo)雷達(dá)，而且效果相當(dāng)不錯(cuò)，得到國(guó)際同行專家高度評(píng)價(jià)。

起因是這樣的——

我國(guó)最早投入氣象領(lǐng)域的風(fēng)廓線雷達(dá)頻率在930MHz左右。北京城市氣象研究院當(dāng)時(shí)購(gòu)置了該型號(hào)系列的風(fēng)廓線雷達(dá)，放置在海淀區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部某公園。

位于北京市海淀區(qū)某公園的風(fēng)廓線雷達(dá)

后來(lái)，由于廣播、電視等信號(hào)的增加，特別是移動(dòng)通信的急劇發(fā)展，風(fēng)廓線雷達(dá)受到電磁信號(hào)的干擾越來(lái)越嚴(yán)重。

我們聯(lián)系到當(dāng)時(shí)參與超導(dǎo)雷達(dá)試驗(yàn)項(xiàng)目的北京城市氣象研究院城市邊界層與高影響天氣機(jī)理研究室的張京江，據(jù)他回憶：

“

當(dāng)時(shí)1000米到1500米這段能有探測(cè)數(shù)據(jù)，到了高層數(shù)據(jù)都探測(cè)不到了，另外時(shí)間上不連續(xù)，一段有數(shù)據(jù)一段空白。

”

問(wèn)題的嚴(yán)重性在于，由于干擾的存在可能造成虛假信號(hào)（或異常信號(hào)），有時(shí)難以判定觀察到的現(xiàn)象是源于天氣變化還是來(lái)自電磁干擾，很可能導(dǎo)致誤判、誤報(bào)，甚至帶來(lái)嚴(yán)重后果。

雷達(dá)的工作帶寬較窄，常規(guī)技術(shù)很難提供合適的預(yù)選濾波器，導(dǎo)致雷達(dá)接收機(jī)前級(jí)對(duì)鄰頻干擾信號(hào)缺乏足夠的抵抗能力。

針對(duì)這樣的情況，中國(guó)科學(xué)院物理研究所專家提出以極窄帶超導(dǎo)濾波器、低噪聲放大器和制冷機(jī)組成的超導(dǎo)微波子系統(tǒng)替代雷達(dá)前端中的低噪聲放大器，來(lái)提高雷達(dá)的抗干擾能力和靈敏度。

高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)與風(fēng)溫廓線雷達(dá)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) (左圖為雷達(dá)天線,右圖為雷達(dá)接收機(jī)和高溫超導(dǎo)子系統(tǒng) )

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，使用超導(dǎo)子系統(tǒng)后，雷達(dá)的靈敏度提高了2.4倍（3.8ｄＢ）。抗干擾能力因?yàn)樵鲈O(shè)了超導(dǎo)濾波器的緣故，提高幅度達(dá)到7萬(wàn)倍以上（48.4ｄＢ）。

再看干擾存在時(shí)，常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)和超導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)風(fēng)能力——

風(fēng)溫廓線雷達(dá)完成的風(fēng)廓線測(cè)量圖。在有干擾時(shí)常規(guī)系統(tǒng)無(wú)法給出2000米以上高空的風(fēng)廓線，而高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)仍能保證測(cè)量正常進(jìn)行

也就是說(shuō)，含有高溫超導(dǎo)微波子系統(tǒng)的雷達(dá)前端比較常規(guī)雷達(dá)前端確實(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以極為有效地增強(qiáng)風(fēng)溫廓線雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力。

常規(guī)風(fēng)廓線雷達(dá)和高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

這次試驗(yàn)的成功，為利用超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)一步提高氣象雷達(dá)的性能提供了契機(jī)。不過(guò)受限于使用環(huán)境和使用成本，該技術(shù)尚未在氣象雷達(dá)業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用。

張京江說(shuō)：

“

如果室溫超導(dǎo)真的實(shí)現(xiàn)了，而且應(yīng)用成本也能降下來(lái)的話，在氣象雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)該也會(huì)有非常好的應(yīng)用前景。

”

當(dāng)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)

“邂逅”數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

量子計(jì)算有望為人類提供超乎想象的計(jì)算能力，從而給各個(gè)領(lǐng)域乃至我們?nèi)粘Ｉ顜?lái)極其深遠(yuǎn)的影響，其潛力也包括應(yīng)用于極其復(fù)雜的數(shù)值預(yù)報(bào)模式。

《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要(2022—2035年)》提出，加強(qiáng)人工智能、大數(shù)據(jù)、量子計(jì)算與氣象深度融合應(yīng)用。“量子計(jì)算”作為關(guān)鍵核心技術(shù)被重點(diǎn)提及，其戰(zhàn)略重要性不言而喻。

氣象預(yù)測(cè)需要分析包括溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向和地磁等多個(gè)動(dòng)態(tài)變量在內(nèi)的大量數(shù)據(jù)，使用傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)開發(fā)數(shù)值天氣和氣候預(yù)測(cè)模型存在局限性，無(wú)法跟上不斷變化的復(fù)雜天氣。

量子計(jì)算是一種全新的計(jì)算模式，具有顛覆性的算力。通過(guò)量子人工智能算法，結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)，將有助于改善氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)，減少災(zāi)害損失。此外，對(duì)于理解天氣至關(guān)重要的模式識(shí)別可以利用量子機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)增強(qiáng)。

加強(qiáng)量子計(jì)算與氣象深度融合應(yīng)用，將為我國(guó)發(fā)展精細(xì)氣象服務(wù)系統(tǒng)，打造氣象信息支撐系統(tǒng)注入強(qiáng)大動(dòng)力。

而超導(dǎo)態(tài)是一種典型的宏觀量子現(xiàn)象，因?yàn)閰⑴c超導(dǎo)電性的粒子是宏觀量級(jí)的庫(kù)珀對(duì)高度重疊而形成的集體行為。這種宏觀量子性，為超導(dǎo)量子比特奠定了易于耦合、易于操控也易于讀取的先天條件。Google、IBM、Intel等都參加到了量子計(jì)算研發(fā)的行列中來(lái)，而他們都選擇的是超導(dǎo)的方案。可以說(shuō)，超導(dǎo)量子計(jì)算，已經(jīng)成為目前最有前景的量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)方案之一。

我們有理由相信，當(dāng)數(shù)值預(yù)報(bào)用上室溫超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，我們的天氣預(yù)報(bào)一定會(huì)有極大的改善……

超導(dǎo)技術(shù)出現(xiàn)至今

已經(jīng)有幾十年了

它的大規(guī)模應(yīng)用還有不少難點(diǎn)

如果室溫超導(dǎo)真的能夠大規(guī)模應(yīng)用

將給氣象領(lǐng)域在內(nèi)的各行各業(yè)

帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響

我們期待著那一天

未來(lái)可期

責(zé)任編輯：Rex_21