“零能耗”的量子超导二极管问世

厚度仅为头发丝七百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。近日，清华大学张定、北京量子信息科学研究院朱玉莹、南方科技大学薛其坤研究团队与合作者成功实现了“0”态和“1”态都由库珀对导电的全新超导二极管—量子超导二极管。相关成果以《液氮温区理想效率的量子超导二极管效应》(Quantum superconducting diode effect with perfect efficiency above liquid-nitrogen temperature)为题于2025年11月28日在线发表于《自然· 物理》（Nature Physics），并获该期刊所属《研究简述》（Research Briefing）的同步专题报道。

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

超导二极管是近年来新兴的低功耗电子学器件，具有类似半导体二极管的非对称伏安曲线。然而，常规超导二极管的“0”态和“1”态分别对应着库珀对零耗散传输和单电子有耗散传输，因此器件在一半状态下仍存在能耗。研究团队将超导二极管的工作温度提升了近10倍，成功达到了液氮温区，且整流效率可达100%、具备量子抗噪特性，为开发新一代超导电子学器件奠定了重要基础。

半导体二极管、超导二极管、量子超导二极管的示意图与伏安特性曲线。

在最新的工作中，研究团队基于高质量转角约瑟夫森结，开发了一种电调制技术，在零磁场、液氮温区原位调控出了超导二极管效应，且整流效率达到30%至40%的高水平。利用这一简便技术所得到的超导二极管工作性能稳定，非对称伏安特性可被擦除。

清华大学张定表示，“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’。”此前的超导二极管需在液氦温区（零下269摄氏度）的条件下工作，并需施加一定的磁场。而这一新器件在液氮温区（零下196摄氏度）即可发挥效用。

研究团队还进一步利用微波辐照将二极管的整流效率提升至100%，达到了理想效率。在微波调控下，超导二极管的伏安特性曲线呈现出了非对称分布的量子化电压台阶。利用这一新的非对称特性，团队实现了量子超导二极管效应这一新机制。

与常规超导二极管不同的是，量子超导二极管不管在“0”态还是“1”态均通过库珀对来传输电流。该器件的量子化特性还显著增强了对输入端噪声以及器件随机噪声的抗干扰能力，可实现高质量信号转换。研究团队还演示了该器件作为新型逻辑与门的操作性，为开发微波频段无能耗逻辑电路提供了新路径。

值得一提的是，该研究工作也为高温超导机理这一核心科学问题提供了颠覆性的认识。研究团队前期实验结果表明转角约瑟夫森结中存在s波配对，挑战了高温超导是纯d波配对这一主流观点。

近年来，包括美国哈佛大学、斯坦福大学等的知名理论研究者提出转角约瑟夫森结在45度角附近由高阶量子隧穿主导，可以出现超导二极管效应。哈佛大学的知名实验研究组近期成果似乎证实了该观点。

然而，在最新的研究工作中，团队证明超导二极管效应的成因并不唯一，利用高质量数据对国际上流行的观点提出了质疑。团队还通过实验和理论模拟对比，发现转角约瑟夫森结中的一阶量子隧穿始终占主导，而非高阶隧穿，这进一步印证了研究团队此前的发现，推动了对高温超导配对对称性问题的全面理解。

超导二极管的工作温度（横轴）与整流效率（纵轴）汇总。红色方框和五角星代表本工作中报道的量子超导二极管。