近日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然?物理》刊發(fā)了一項來自中國科研團隊的重要突破——全球首款能在液氮溫區(qū)實現(xiàn)零能耗高效工作的量子超導(dǎo)二極管正式問世。該器件厚度僅為人類頭發(fā)絲的七百分之一，不僅整流效率達(dá)到理論極限的100%，更具備量子級別的抗干擾能力，為超導(dǎo)電子學(xué)器件的實用化進(jìn)程按下加速鍵。

傳統(tǒng)二極管作為電子電路的核心元件，通過將交流電轉(zhuǎn)換為直流電實現(xiàn)電能調(diào)控。然而基于半導(dǎo)體材料的器件因存在電阻，工作過程中不可避免地產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致能量損耗。盡管超導(dǎo)材料在臨界溫度下可實現(xiàn)零電阻特性，但此前研發(fā)的超導(dǎo)二極管仍需依賴液氦溫區(qū)（零下269℃）的極端環(huán)境，且需施加外部磁場才能維持"0""1"雙態(tài)切換，其中"1"態(tài)仍存在能量耗散問題。

北京量子信息科學(xué)研究院與清華大學(xué)聯(lián)合團隊突破性地將量子效應(yīng)引入超導(dǎo)器件設(shè)計。研究團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子在特定量子態(tài)下形成庫珀對時，無論處于"0"態(tài)（零耗散）還是"1"態(tài)（有耗散），均能保持成對運動的穩(wěn)定狀態(tài)。這種獨特的傳輸機制徹底解決了傳統(tǒng)器件中單電子無序運動引發(fā)的碰撞產(chǎn)熱難題，同時將抗噪性能提升至量子級別，確保信號轉(zhuǎn)換過程中幾乎零失真。

實驗數(shù)據(jù)顯示，新型器件在液氮溫區(qū)（零下196℃）即可穩(wěn)定工作，較前代技術(shù)的工作溫度提升73℃。北京量子院副研究員朱玉瑩透露，團隊開發(fā)的低溫制備工藝使器件良品率提升3倍以上，穩(wěn)定性指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。這種技術(shù)突破不僅大幅降低了超導(dǎo)器件的運維成本，更為其規(guī)模化應(yīng)用掃清了關(guān)鍵障礙。

該成果在量子計算領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。清華大學(xué)物理系副教授張定指出，作為量子邏輯電路的核心組件，新型二極管可在零功耗狀態(tài)下完成信號濾波，有效去除背景噪聲。相較于傳統(tǒng)需要液氦冷卻和磁場調(diào)控的器件，新設(shè)備僅需普通液氮即可運行，設(shè)備復(fù)雜度降低80%，為構(gòu)建實用化量子計算機提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

多位國際同行評價稱，這項研究標(biāo)志著超導(dǎo)電子學(xué)器件從實驗室原型向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。其開創(chuàng)的量子整流機制與低溫制備技術(shù)，為開發(fā)微波頻段無能耗邏輯電路開辟了全新路徑，有望推動量子通信、高精度傳感等領(lǐng)域的革命性發(fā)展。