观点：新突破！“零能耗”量子超导二极管在北京量子院问世

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本报记者 张伟

厚度仅为头发丝七百分之一的量子超导二极管，能在液氮温区实现无能量损耗的高效工作，整流效率可达100%，并具备量子抗噪特性。11月28日，这一重要发现成果在线发表于《自然·物理》（Nature Physics），为开发新一代超导电子学器件奠定了重要基础。

超导二极管是近年来新兴的低功耗电子学器件，具有类似半导体二极管的非对称伏安曲线。然而，常规超导二极管的“0”态和“1”态分别对应着零耗散态和有耗散态，因此器件在一半状态下仍存在能耗。发挥新型研发机构优势，北京量子信息科学研究院（以下简称“北京量子院”）联合共建单位清华大学、中国科学院物理研究所以及南方科技大学，成功研发出“0”态和“1”态都无能耗的新型超导二极管——量子超导二极管。

据介绍，研究团队自2016年起专注于高温超导研究，已取得多项重要进展。在北京量子院的高温超导实验室，制备中的长和宽各几十微米、厚度仅100纳米的量子超导二极管，就是其在长期积累后取得的又一重要突破性成果，该研究工作为高温超导机理这一核心科学问题提供了颠覆性认识。研究团队还演示了该器件的新型逻辑与门操作性，为开发微波频段无能耗逻辑电路提供了新的路径。

“它有着全新的电流传输方式：电子在量子超导二极管内部运动时，不论在‘0’态还是‘1’态，都是两两‘牵手跑’，从而实现能量的完全零耗散。”北京量子院兼聘研究员、清华大学物理系副教授张定介绍，量子超导二极管的这一特点弥补了普通超导二极管内单个电子因无序运动而碰撞产热的难题，并提升了器件的抗噪能力，实现了信号的高质量转换。

北京量子院副研究员朱玉莹介绍，团队新研发的低温器件制备技术还能实现超导二极管稳定性、良品率的大幅提升。

“在量子计算机中，超导二极管可作为量子逻辑电路的重要组件。在零功耗状态下完成信号噪音的过滤，能使输入信号变得更‘干净’。”谈到未来应用，张定表示，此前的超导二极管产品需要在液氦温区，即约零下269摄氏度的条件下工作，并需要施加一定的磁场。而量子超导二极管处在液氮温区即可发挥效用，工作温度能提升近10倍。随着工作温度提升，器件所需的冷却装置就能做得更简洁、轻巧，“今后有望帮助量子计算机‘瘦身’。”

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