【導(dǎo)讀】能耗問題一直是制約器件性能提升的關(guān)鍵因素。11月28日，一項(xiàng)發(fā)表于《自然·物理》雜志的研究成果引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注——中國科學(xué)家成功研發(fā)出了厚度僅為頭發(fā)絲七百分之一的量子超導(dǎo)二極管，這一突破性技術(shù)能夠在液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)無能量損耗的高效工作，整流效率高達(dá)100%，并具備優(yōu)異的量子抗噪特性。
超導(dǎo)二極管的革命性突破
在北京量子信息科學(xué)研究院的高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，研究人員制備出了長寬各幾十微米、厚度僅100納米的量子超導(dǎo)二極管。這一微觀尺度下的創(chuàng)新器件，正為下一代超導(dǎo)電子學(xué)器件的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)的二極管作為電子電路中的基本元器件，主要功能是將交流電轉(zhuǎn)換為單向流動(dòng)的直流電。然而，由常規(guī)半導(dǎo)體材料制成的二極管存在固有電阻，在工作過程中會(huì)因發(fā)熱導(dǎo)致能量損耗，這一直是電子器件領(lǐng)域亟待解決的難題。
超導(dǎo)材料因其獨(dú)特的零電阻特性，被視為解決這一問題的理想選擇。但以往的超導(dǎo)二極管在特定電流強(qiáng)度與外部磁場(chǎng)作用下，其“0”態(tài)和“1”態(tài)分別對(duì)應(yīng)零耗散態(tài)和有耗散態(tài)，導(dǎo)致器件在一半工作狀態(tài)下仍存在能量損耗。
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圖為中國科學(xué)家研發(fā)的“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。（研發(fā)團(tuán)隊(duì)供圖）
量子超導(dǎo)二極管的技術(shù)原理
新研發(fā)的量子超導(dǎo)二極管徹底改變了電流傳輸方式。北京量子院兼聘研究員、清華大學(xué)物理系副教授張定解釋道：“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。”
這種獨(dú)特的電子配對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)制，有效彌補(bǔ)了普通超導(dǎo)二極管中單個(gè)電子因無序運(yùn)動(dòng)而碰撞產(chǎn)熱的問題，同時(shí)顯著提升了器件的抗噪能力，確保了信號(hào)的高質(zhì)量轉(zhuǎn)換。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景
與以往的超導(dǎo)二極管相比，這一新型器件展現(xiàn)出多方面的顯著優(yōu)勢(shì)：
工作溫度要求大幅降低：此前的超導(dǎo)二極管需要在液氦溫區(qū)（零下269攝氏度）的極端條件下工作，并需施加特定磁場(chǎng)。而新型量子超導(dǎo)二極管在液氮溫區(qū)（零下196攝氏度）即可充分發(fā)揮效能，這大大降低了實(shí)際應(yīng)用的難度和成本。
能耗表現(xiàn)卓越：該器件實(shí)現(xiàn)了在兩種狀態(tài)下均無能量損耗的理想特性，整流效率達(dá)到100%，為開發(fā)微波頻段無能耗邏輯電路提供了全新的技術(shù)路徑。
穩(wěn)定性和良品率提升：據(jù)北京量子院副研究員朱玉瑩介紹，團(tuán)隊(duì)開發(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)定性和良品率的大幅提升，為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用掃除了障礙。
在應(yīng)用方面，量子超導(dǎo)二極管具有廣闊的前景。張定研究員指出：“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’，這對(duì)于量子計(jì)算的精確性至關(guān)重要。”
業(yè)界專家普遍認(rèn)為，這一成果是超導(dǎo)電子學(xué)器件從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的重要里程碑。它不僅為新一代超導(dǎo)電子器件的開發(fā)開辟了道路，還可能對(duì)未來低功耗計(jì)算、量子信息技術(shù)乃至整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
隨著全球?qū)?jié)能減排和高效計(jì)算需求的日益增長，這種能夠在液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)零能耗工作的量子超導(dǎo)二極管，有望在不久的將來為信息技術(shù)領(lǐng)域帶來革命性的變革。
