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明尼蘇達(dá)大學(xué)（University of Minnesota）雙城分校的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種新型超導(dǎo)二極管，這是電子設(shè)備中的關(guān)鍵部件，可以幫助擴(kuò)大量子計算機的工業(yè)用途并提高人工智能系統(tǒng)的性能。與其他超導(dǎo)二極管相比，研究人員的設(shè)備更節(jié)能；可同時處理多個電信號；并包含一系列控制能量流動的門，這是以前從未集成到超導(dǎo)二極管中的功能。

該論文以「Gate-tunable superconducting diode effect in a three-terminal Josephson device」為題，于 2023 年 5 月 29 日發(fā)布在《Nature Communications》。

二極管允許電流在電路中以一個方向流動，但不可以反方向流動。它本質(zhì)上是晶體管的一半，是計算機芯片中的主要元件。二極管通常由半導(dǎo)體制成，但研究人員對用超導(dǎo)體制造它們很感興趣，超導(dǎo)體能夠傳輸能量而不會在此過程中損失任何功率。

「我們想讓計算機更強大，但我們目前的材料和制造方法很快就會遇到一些硬性限制。」該論文的資深作者、明尼蘇達(dá)大學(xué)學(xué)院物理學(xué)和天文學(xué)副教授 Vlad Pribiag 說，「我們需要開發(fā)計算機的新方法，而目前提高計算能力的最大挑戰(zhàn)之一是它們會消耗大量能量。因此，我們正在考慮超導(dǎo)技術(shù)可能有助于解決這個問題的方法。」

明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員使用三個約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）創(chuàng)建了該設(shè)備，這些結(jié)是通過將非超導(dǎo)材料夾在超導(dǎo)體之間制成的。在這種情況下，研究人員將超導(dǎo)體與半導(dǎo)體層連接起來。該設(shè)備的獨特設(shè)計允許研究人員使用電壓來控制設(shè)備的行為。

他們的設(shè)備還具有處理多個信號輸入的能力，而典型的二極管只能處理一個輸入和一個輸出。此功能可以應(yīng)用于神經(jīng)形態(tài)計算，這是一種工程電路的方法，可以模仿大腦中神經(jīng)元的功能，從而提高人工智能系統(tǒng)的性能。

「我們制造的設(shè)備具有接近有史以來最高的能源效率，而且我們第一次展示了你可以添加門并施加電場來調(diào)整這種效果。」 該論文的作者，明尼蘇達(dá)大學(xué)物理與天文學(xué)院的 Ph.D Mohit Gupta 解釋說，「其他研究人員以前制造過超導(dǎo)設(shè)備，但他們使用的材料很難制造。我們的設(shè)計使用了對工業(yè)更友好并提供新功能的材料。」

原則上，研究人員使用的方法可用于任何類型的超導(dǎo)體，使其比該領(lǐng)域的其他技術(shù)更通用、更易于使用。由于這些品質(zhì)，他們的設(shè)備更適合行業(yè)應(yīng)用，并有助于擴(kuò)大量子計算機的開發(fā)規(guī)模，以實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

「目前，相對于實際應(yīng)用的需求，所有的量子計算機都非常基礎(chǔ)。」 Pribiag 說，「為了擁有一臺足夠強大的計算機來解決有用的、復(fù)雜的問題，擴(kuò)大規(guī)模是必要的。很多人正在研究計算機或 AI 機器的算法和用例，這些計算機或 AI 機器的性能可能優(yōu)于傳統(tǒng)計算機。在這里，我們正在開發(fā)可以使量子計算機實現(xiàn)這些算法的硬件。這顯示了大學(xué)播種這些想法的力量，這些想法最終會進(jìn)入工業(yè)并被集成到實際機器中。」