【导读】能耗问题一直是制约器件性能提升的关键因素。11月28日，一项发表于《自然·物理》杂志的研究成果引起了科学界的广泛关注——中国科学家成功研发出了厚度仅为头发丝七百分之一的量子超导二极管，这一突破性技术能够在液氮温区实现无能量损耗的高效工作，整流效率高达100%，并具备优异的量子抗噪特性。

超导二极管的革命性突破

在北京量子信息科学研究院的高温超导实验室内，研究人员制备出了长宽各几十微米、厚度仅100纳米的量子超导二极管。这一微观尺度下的创新器件，正为下一代超导电子学器件的发展奠定坚实基础。

传统的二极管作为电子电路中的基本元器件，主要功能是将交流电转换为单向流动的直流电。然而，由常规半导体材料制成的二极管存在固有电阻，在工作过程中会因发热导致能量损耗，这一直是电子器件领域亟待解决的难题。

超导材料因其独特的零电阻特性，被视为解决这一问题的理想选择。但以往的超导二极管在特定电流强度与外部磁场作用下，其“0”态和“1”态分别对应零耗散态和有耗散态，导致器件在一半工作状态下仍存在能量损耗。

图为中国科学家研发的“0”态和“1”态都无能耗的新型超导二极管——量子超导二极管。（研发团队供图）

量子超导二极管的技术原理

新研发的量子超导二极管彻底改变了电流传输方式。北京量子院兼聘研究员、清华大学物理系副教授张定解释道：“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。”

这种独特的电子配对运动机制，有效弥补了普通超导二极管中单个电子因无序运动而碰撞产热的问题，同时显著提升了器件的抗噪能力，确保了信号的高质量转换。

技术优势与应用前景

与以往的超导二极管相比，这一新型器件展现出多方面的显著优势：

工作温度要求大幅降低：此前的超导二极管需要在液氦温区（零下269摄氏度）的极端条件下工作，并需施加特定磁场。而新型量子超导二极管在液氮温区（零下196摄氏度）即可充分发挥效能，这大大降低了实际应用的难度和成本。

能耗表现卓越：该器件实现了在两种状态下均无能量损耗的理想特性，整流效率达到100%，为开发微波频段无能耗逻辑电路提供了全新的技术路径。

稳定性和良品率提升：据北京量子院副研究员朱玉莹介绍，团队开发的低温器件制备技术还能实现超导二极管稳定性和良品率的大幅提升，为产业化应用扫除了障碍。

在应用方面，量子超导二极管具有广阔的前景。张定研究员指出：“在量子计算机中，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’，这对于量子计算的精确性至关重要。”

业界专家普遍认为，这一成果是超导电子学器件从实验室走向产业化的重要里程碑。它不仅为新一代超导电子器件的开发开辟了道路，还可能对未来低功耗计算、量子信息技术乃至整个电子产业产生深远影响。

随着全球对节能减排和高效计算需求的日益增长，这种能够在液氮温区实现零能耗工作的量子超导二极管，有望在不久的将来为信息技术领域带来革命性的变革。