量子超导二极管突破：零能耗革命如何改变我们的未来？

在北京量子信息科学研究院的实验室内，科学家们正在用比头发丝细七百倍的材料，编织一场电子革命的梦。

张定副教授站在实验室里，透过显微镜观察着那些尺寸仅几十微米、厚度约100纳米的量子超导二极管。它们看起来如此微小，却可能成为未来电子技术的基石。“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’。”他这样描述这一突破的核心原理。

2025年11月28日，这项由中国科学家团队取得的重大进展被发表于《自然·物理》期刊，宣布了一种能够在液氮温区实现 零能耗工作的量子超导二极管诞生。

这是一个让整个物理学界为之振奋的消息——我们终于迈过了超导电子学器件从实验室走向产业化的关键门槛。

01 革命性突破，重新定义电子器件的基本原理

二极管，这个看似普通的电子元器件，实则是现代电子世界的无名英雄。它就像电子交通的“单行道”标志，负责将交流电转换为直流电，让电流按预定方向流动。从手机充电器到超级计算机，二极管无处不在。

传统半导体二极管存在一个根本性缺陷：电阻。当电子流过时，会遇到阻碍产生碰撞，导致发热和能量损耗。这不仅是效率问题，更是当今数据中心巨大能耗的根源之一。

超导材料带来了一线希望。这类材料具有 零电阻特性，理论上可以彻底解决能量损耗问题。但遗憾的是，即使之前的超导二极管，也只在“0”态或“1”态中的一种状态下实现零耗散，另一种状态下仍存在能耗。

北京量子信息科学研究院和清华大学的研究团队开发的量子超导二极管，从根本上突破了这一限制。

“它有着全新的电流传输方式。”张定副教授解释道，“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。”

这种电子配对运动机制，解决了单个电子因无序运动而碰撞产热的难题。就像混乱的人群中被两两配对的舞者，踏着整齐的步伐有序通过，避免了相互碰撞产生的能量损失。

该器件的整流效率达到了 惊人的100%。相较于传统超导二极管需要在液氦温区（零下269摄氏度）工作，新器件在液氮温区（零下196摄氏度）即可发挥效用，工作温区提升近10倍。

02 技术飞跃，从液氦到液氮的温度革命

温度，一直是超导技术实际应用的主要障碍。此次突破最引人注目的成就之一，就是 工作温度要求的大幅降低。

为什么温度如此重要？简单来说，维持低温环境需要冷却系统，而冷却系统的成本和复杂度决定了技术的实用性。

传统的超导二极管需要在液氦温区（零下269摄氏度）工作。氦气是一种稀有气体，价格昂贵，冷却系统复杂。而新开发的量子超导二极管在液氮温区（零下196摄氏度）即可正常运行。

液氮的成本远低于液氦，冷却装置可以做得更简洁、轻巧。这对于量子计算机的“瘦身”至关重要。

“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’。”张定副教授指出了这一突破的实际意义。

从零下269度到零下196度，这73摄氏度的提升，不仅仅是数字上的变化，更是 超导技术从实验室走向产业化的重要一步。

这种温度提升意味着更低的运营成本、更简单的维护要求，以及更广泛的应用场景。它使得超导电子器件不再局限于专业实验室的极端环境，而有可能进入更普通的工业和应用环境。

03 突破性技术，量子超导二极管的工作原理

量子超导二极管的核心创新在于其独特的工作原理。与常规超导二极管不同，新器件引入了一种 量子抗噪特性，确保了信号的高质量转换。

常规半导体二极管中，电子是单独运动的“独行侠”，相互碰撞产生热量。普通超导二极管虽然解决了电阻问题，但电子仍然存在一定程度的无序性。

而量子超导二极管中的电子行为截然不同。北京量子院兼聘研究员、清华大学物理系副教授张定用“两两‘牵手跑’”这样形象比喻描述了电子的运动方式。这种配对运动不是简单的物理接触，而是一种量子纠缠状态下的协同运动。

这种独特的电子配对机制带来两个关键优势：一是实现能量的完全零耗散；二是显著提升了器件的抗噪能力。

在量子计算中，信号需要保持极高的“纯净度”，任何噪声干扰都可能导致计算错误。量子超导二极管能够在 零功耗状态下完成信号噪音的过滤，使输入信号变得更“干净”。

此外，研究团队还开发了创新的低温器件制备技术。北京量子院副研究员朱玉莹表示，这项技术能实现超导二极管稳定性和良品率的大幅提升。

从最初一次性制备几百个样品成功率只有10%左右，到现在稳定性和良品率大幅提升，制备技术的进步为产业化应用扫除了障碍。

04 应用前景，从量子计算到绿色能源

量子超导二极管的价值不仅在于其科学突破，更在于其广泛的应用前景。这一技术可能对未来多个领域产生深远影响。

量子计算是最直接的应用领域之一。“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’。”张定指出。

对于量子计算机而言，信号噪声是影响计算精度的关键因素。量子超导二极管不仅能 降低能耗，还能提高信号质量，从而提升量子计算的可靠性和效率。

在更广泛的电子技术领域，这一突破为开发 微波频段无能耗逻辑电路提供了新路径。未来可能应用于低功耗计算芯片，显著降低数据中心和电子设备的能耗。

随着数字化进程加速，全球数据中心的能耗已达惊人水平。如果能够采用零能耗的电子器件，将对全球节能减排目标做出重大贡献。

在绿色能源领域，量子超导二极管可能提高能量转换效率。太阳能逆变器、风力发电控制系统等能源转换装置中，二极管的能耗是影响整体效率的因素之一。零能耗二极管的出现，可能带来能源转换效率的进一步提升。

此外，在医疗设备、科学仪器和通信技术等领域，这一技术也有广阔应用空间。例如，在MRI等医疗设备中，超导技术已经广泛应用，量子超导二极管可能带来设备性能的提升和能耗的降低。

05 幕后故事，科学发现的偶然与必然

每一项重大科学突破的背后，都有人类探索未知的动人故事。量子超导二极管的研发历程也不例外，它融合了偶然与必然。

“起初，这项成果的研发方向并不在我们的预期之内。”张定副教授透露了一个有趣的细节，“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。”

这种“偶然发现”在科学史上并不罕见，但背后是研究人员 对基础研究的长期投入和 对意外现象的敏锐洞察。

该成果的产出，还借助了北京新型研发机构的体制优势。团队在清华大学的实验室推进高温超导机理的基础研究，而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。

“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回顾了研发初期面临的挑战。

随着研究平台的支持和技术不断成熟，团队成功开发出新的低温器件制备技术，使超导二极管的稳定性和合格产率都大幅提升。

这种“高校基础研究”与“专业平台支持”相结合的模式，或许是加速科技创新的一条有效路径。它不仅促进了基础研究的深入，也推动了技术向应用的转化。

06 产业影响，超导电子学的产业化之路

量子超导二极管的出现，是超导电子学器件 从实验室走向产业化的重要一步。那么，这项技术距离大规模应用还有多远？

从技术成熟度看，量子超导二极管已经显示出明显的产业化优势。与传统的超导二极管相比，新器件不仅性能更优，而且制造可行性更高。

朱玉莹副研究员提到，团队新研发的低温器件制备技术能实现超导二极管稳定性和良品率的大幅提升。这对于产业化至关重要—— 高良品率意味着可以大规模生产， 高稳定性则保证了产品的可靠性。

在成本方面，液氮温区的工作条件大幅降低了运营成本。液氮不仅价格低廉，而且易于获取和使用。这使得超导电子技术的应用门槛显著降低。

从产业链角度，中国在超导材料研究和超导技术应用方面已有一定积累。量子超导二极管的突破，可能带动相关产业链的发展，从材料制备到器件制造，再到系统集成和应用开发。

业界专家普遍认为，这一成果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。

随着量子超导二极管从实验室走向产业化，电子设备的能耗问题可能得到根本性解决。未来，我们或许会看到完全不需要散热风扇的电脑，电费大幅削减的数据中心，以及体积更小、功能更强大的量子计算机。

但这条道路仍充满挑战： 如何进一步降低制造成本？ 能否在更高温度下实现零能耗？科学家们仍在不断探索，试图揭开更多超导世界的奥秘。

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