“零能耗”的量子超导二极管来了

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。这项11月28日发表于《自然·物理》的成果，为开发新一代超导电子学器件奠定了重要基础。

在北京量子信息科学研究院的高温超导实验室看到了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。

二极管是一种常见的电子元器件，它能将电路中的交流电整流为单向流动的直流电。但由于常规半导体材料制成的二极管存在电阻，工作时会因发热导致能量损耗。而超导材料具有零电阻特性，用它制成的二极管，在特定电流强度与外部磁场作用下，“0”态、“1”态分别对应零耗散态、有耗散态，因此器件在一半状态下仍存在能耗。

如今，性能更强、能耗更低的量子超导二极管由中国科学家研发成功。“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，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说，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。

“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’。”张定说，此前的超导二极管需在液氦温区（零下269摄氏度）的条件下工作，并需施加一定的磁场。而这一新器件在液氮温区（零下196摄氏度）即可发挥效用。

相关专家认为，这一成果是超导电子学器件从实验室走向产业化的重要一步，为开发微波频段无能耗逻辑电路提供了新路径。