“零能耗”的量子超導二極管來了
更新時間：2025/12/1 9:34:54 來源：新華社CNML文字
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新華社北京11月28日電（記者張漫子）厚度僅為頭發(fā)絲七百分之一的量子超導二極管，能在液氮溫區(qū)實現(xiàn)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。這項11月28日發(fā)表于《自然·物理》的成果，為開發(fā)新一代超導電子學器件奠定了重要基礎(chǔ)。
記者在北京量子信息科學研究院的高溫超導實驗室看到了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。
二極管是一種常見的電子元器件，它能將電路中的交流電整流為單向流動的直流電。但由于常規(guī)半導體材料制成的二極管存在電阻，工作時會因發(fā)熱導致能量損耗。而超導材料具有零電阻特性，用它制成的二極管，在特定電流強度與外部磁場作用下，“0”態(tài)、“1”態(tài)分別對應零耗散態(tài)、有耗散態(tài)，因此器件在一半狀態(tài)下仍存在能耗。
如今，性能更強、能耗更低的量子超導二極管由中國科學家研發(fā)成功。“它有著全新的電流傳輸方式：電子在量子超導二極管內(nèi)部運動時，不論在‘0’態(tài)還是‘1’態(tài)，都是兩兩‘牽手跑’，從而實現(xiàn)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，這一特點彌補了普通超導二極管內(nèi)單個電子因無序運動而碰撞產(chǎn)熱的難題，并提升了器件的抗噪能力，實現(xiàn)了信號的高質(zhì)量轉(zhuǎn)換。
北京量子院副研究員朱玉瑩說，團隊新研發(fā)的低溫器件制備技術(shù)還能實現(xiàn)超導二極管穩(wěn)定性、良品率的大幅提升。
“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(tài)下完成信號噪音的過濾，能使輸入信號變得更‘干凈’。”張定說，此前的超導二極管需在液氦溫區(qū)（零下269攝氏度）的條件下工作，并需施加一定的磁場。而這一新器件在液氮溫區(qū)（零下196攝氏度）即可發(fā)揮效用。
相關(guān)專家認為，這一成果是超導電子學器件從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的重要一步，為開發(fā)微波頻段無能耗邏輯電路提供了新路徑。
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記者在北京量子信息科學研究院的高溫超導實驗室看到了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。
二極管是一種常見的電子元器件，它能將電路中的交流電整流為單向流動的直流電。但由于常規(guī)半導體材料制成的二極管存在電阻，工作時會因發(fā)熱導致能量損耗。而超導材料具有零電阻特性，用它制成的二極管，在特定電流強度與外部磁場作用下，“0”態(tài)、“1”態(tài)分別對應零耗散態(tài)、有耗散態(tài)，因此器件在一半狀態(tài)下仍存在能耗。
如今，性能更強、能耗更低的量子超導二極管由中國科學家研發(fā)成功。“它有著全新的電流傳輸方式：電子在量子超導二極管內(nèi)部運動時，不論在‘0’態(tài)還是‘1’態(tài)，都是兩兩‘牽手跑’，從而實現(xiàn)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，這一特點彌補了普通超導二極管內(nèi)單個電子因無序運動而碰撞產(chǎn)熱的難題，并提升了器件的抗噪能力，實現(xiàn)了信號的高質(zhì)量轉(zhuǎn)換。
北京量子院副研究員朱玉瑩說，團隊新研發(fā)的低溫器件制備技術(shù)還能實現(xiàn)超導二極管穩(wěn)定性、良品率的大幅提升。
“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(tài)下完成信號噪音的過濾，能使輸入信號變得更‘干凈’。”張定說，此前的超導二極管需在液氦溫區(qū)（零下269攝氏度）的條件下工作，并需施加一定的磁場。而這一新器件在液氮溫區(qū)（零下196攝氏度）即可發(fā)揮效用。
相關(guān)專家認為，這一成果是超導電子學器件從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的重要一步，為開發(fā)微波頻段無能耗邏輯電路提供了新路徑。
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