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本報(bào)記者 張偉

厚度僅為頭發(fā)絲七百分之一的量子超導(dǎo)二極管，能在液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)無能量損耗的高效工作，整流效率可達(dá)100%，并具備量子抗噪特性。11月28日，這一重要發(fā)現(xiàn)成果在線發(fā)表于《自然·物理》（Nature Physics），為開發(fā)新一代超導(dǎo)電子學(xué)器件奠定了重要基礎(chǔ)。

超導(dǎo)二極管是近年來新興的低功耗電子學(xué)器件，具有類似半導(dǎo)體二極管的非對(duì)稱伏安曲線。然而，常規(guī)超導(dǎo)二極管的“0”態(tài)和“1”態(tài)分別對(duì)應(yīng)著零耗散態(tài)和有耗散態(tài)，因此器件在一半狀態(tài)下仍存在能耗。發(fā)揮新型研發(fā)機(jī)構(gòu)優(yōu)勢，北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡稱“北京量子院”）聯(lián)合共建單位清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所以及南方科技大學(xué)，成功研發(fā)出“0”態(tài)和“1”態(tài)都無能耗的新型超導(dǎo)二極管——量子超導(dǎo)二極管。

據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)自2016年起專注于高溫超導(dǎo)研究，已取得多項(xiàng)重要進(jìn)展。在北京量子院的高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，制備中的長和寬各幾十微米、厚度僅100納米的量子超導(dǎo)二極管，就是其在長期積累后取得的又一重要突破性成果，該研究工作為高溫超導(dǎo)機(jī)理這一核心科學(xué)問題提供了顛覆性認(rèn)識(shí)。研究團(tuán)隊(duì)還演示了該器件的新型邏輯與門操作性，為開發(fā)微波頻段無能耗邏輯電路提供了新的路徑。

“它有著全新的電流傳輸方式：電子在量子超導(dǎo)二極管內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)，不論在‘0’態(tài)還是‘1’態(tài)，都是兩兩‘牽手跑’，從而實(shí)現(xiàn)能量的完全零耗散。”北京量子院兼聘研究員、清華大學(xué)物理系副教授張定介紹，量子超導(dǎo)二極管的這一特點(diǎn)彌補(bǔ)了普通超導(dǎo)二極管內(nèi)單個(gè)電子因無序運(yùn)動(dòng)而碰撞產(chǎn)熱的難題，并提升了器件的抗噪能力，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的高質(zhì)量轉(zhuǎn)換。

北京量子院副研究員朱玉瑩介紹，團(tuán)隊(duì)新研發(fā)的低溫器件制備技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管穩(wěn)定性、良品率的大幅提升。

“在量子計(jì)算機(jī)中，超導(dǎo)二極管可作為量子邏輯電路的重要組件。在零功耗狀態(tài)下完成信號(hào)噪音的過濾，能使輸入信號(hào)變得更‘干凈’。”談到未來應(yīng)用，張定表示，此前的超導(dǎo)二極管產(chǎn)品需要在液氦溫區(qū)，即約零下269攝氏度的條件下工作，并需要施加一定的磁場。而量子超導(dǎo)二極管處在液氮溫區(qū)即可發(fā)揮效用，工作溫度能提升近10倍。隨著工作溫度提升，器件所需的冷卻裝置就能做得更簡潔、輕巧，“今后有望幫助量子計(jì)算機(jī)‘瘦身’。”