在北京量子信息科学研究院的高温超导实验室内，科研人员正借助显微镜进行“微雕”——制备尺寸几十微米、厚度仅100纳米的量子超导二极管。这种厚度仅为头发丝700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，工作温区与普通超导二极管相比提升近10倍。这项成果的产出，借助了北京新型研发机构的体制优势，为开发新一代超导电子学器件奠定了重要基础。11月28日，相关研究成果在《自然·物理》在线发表。

量子超导二极管产品

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，在工作时自身会发热，导致能量损耗。而超导材料拥有零电阻特性，用它制作的二极管，在特定的电流强度和外部磁场作用的情况下，“0”态和“1”态分别对应零耗散态和有耗散态，也就是能在一半的状态下实现零能耗。

如今，性能更强大的量子超导二极管，在北京量子院诞生。“它有着全新的传输电流方式。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，这个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，并能提升器件的抗噪能力，实现高质量的信号转换。

“起初，这项成果的研发方向并不在我们的预期之内。”张定说，团队在推进基础研究的过程中，意外发现了全新的现象，确认了性能更优异的量子材料，从而衍生出高温超导器件制备的新研发路线，“这是科研的魅力所在。”前期，团队在清华大学的实验室推进高温超导机理的基础研究，北京量子院则提供了有效的支撑平台，助力相关技术快速迭代，产出性能更加优异的器件产品。

“高校实验室的研发是以小组为单位，各方面的支持条件相对有限。当时我们一次性制备几百个样品，成功率却只有10%左右。”北京量子院副研究员朱玉莹说，依托北京量子院的平台，她和团队成员瞄准器件制备技术展开探索。利用新研发的低温器件制备技术，超导二极管的稳定性和合格产率都大幅提升。

这是研发面向应用的超导电子学器件的重要一步。“在量子计算机中，超导二极管能成为其中量子逻辑电路的重要组件。它能在零功耗的状态下完成信号噪音的过滤，让输入的信号变得更‘干净’。”张定说，此前的超导二极管产品需要在液氦温区，也就是约零下269摄氏度的条件下工作，并需要施加一定的磁场。而这款量子超导二极管处在液氮温区即可发挥效用。随着工作温度提升，器件所需的冷却装置就能做得更简洁、轻巧，有望帮助量子计算机“瘦身”。

来源：北京日报客户端

记者：刘苏雅