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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(wú)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。這項(xiàng)11月28日發(fā)表于《自然·物理》的成果，為開(kāi)發(fā)新一代超導(dǎo)電子學(xué)器件奠定了重要基礎(chǔ)。

記者在北京量子信息科學(xué)研究院的高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室看到了制備中的長(zhǎng)和寬各幾十微米、厚度僅100納米的量子超導(dǎo)二極管。

二極管是一種常見(jiàn)的電子元器件，它能將電路中的交流電整流為單向流動(dòng)的直流電。但由于常規(guī)半導(dǎo)體材料制成的二極管存在電阻，工作時(shí)會(huì)因發(fā)熱導(dǎo)致能量損耗。而超導(dǎo)材料具有零電阻特性，用它制成的二極管，在特定電流強(qiáng)度與外部磁場(chǎng)作用下，“0”態(tài)、“1”態(tài)分別對(duì)應(yīng)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(qiáng)、能耗更低的量子超導(dǎo)二極管由中國(guó)科學(xué)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(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，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(wú)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說(shuō)，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。

“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(guò)濾，能使輸入信號(hào)變得更‘干凈’。”張定說(shuō)，此前的超導(dǎo)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(chǎng)。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(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)化的重要一步，為開(kāi)發(fā)微波頻段無(wú)能耗邏輯電路提供了新路徑。

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