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本報記者 張偉

厚度僅為頭發絲七百分之一的量子超導二極管，能在液氮溫區實現無能量損耗的高效工作，整流效率可達100%，并具備量子抗噪特性。11月28日，這一重要發現成果在線發表于《自然·物理》（Nature Physics），為開發新一代超導電子學器件奠定了重要基礎。

超導二極管是近年來新興的低功耗電子學器件，具有類似半導體二極管的非對稱伏安曲線。然而，常規超導二極管的“0”態和“1”態分別對應著零耗散態和有耗散態，因此器件在一半狀態下仍存在能耗。發揮新型研發機構優勢，北京量子信息科學研究院（以下簡稱“北京量子院”）聯合共建單位清華大學、中國科學院物理研究所以及南方科技大學，成功研發出“0”態和“1”態都無能耗的新型超導二極管——量子超導二極管。

據介紹，研究團隊自2016年起專注于高溫超導研究，已取得多項重要進展。在北京量子院的高溫超導實驗室，制備中的長和寬各幾十微米、厚度僅100納米的量子超導二極管，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機理這一核心科學問題提供了顛覆性認識。研究團隊還演示了該器件的新型邏輯與門操作性，為開發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：電子在量子超導二極管內部運動時，不論在‘0’態還是‘1’態，都是兩兩‘牽手跑’，從而實現能量的完全零耗散。”北京量子院兼聘研究員、清華大學物理系副教授張定介紹，量子超導二極管的這一特點彌補了普通超導二極管內單個電子因無序運動而碰撞產熱的難題，并提升了器件的抗噪能力，實現了信號的高質量轉換。

北京量子院副研究員朱玉瑩介紹，團隊新研發的低溫器件制備技術還能實現超導二極管穩定性、良品率的大幅提升。

“在量子計算機中，超導二極管可作為量子邏輯電路的重要組件。在零功耗狀態下完成信號噪音的過濾，能使輸入信號變得更‘干凈’。”談到未來應用，張定表示，此前的超導二極管產品需要在液氦溫區，即約零下269攝氏度的條件下工作，并需要施加一定的磁場。而量子超導二極管處在液氮溫區即可發揮效用，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算機‘瘦身’。”