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新型多門(mén)控超導(dǎo)納米線(xiàn)邏輯器件

為了追求極限性能，越來(lái)越多的電子系統(tǒng)需要在低溫條件下工作。例如，在量子計(jì)算機(jī)、高性能傳感器、深空觀測(cè)以及一些經(jīng)典信息處理系統(tǒng)中，通常使用工作溫度為2K甚至是mk溫區(qū)的低溫器件，從而在噪聲、速度和靈敏度等方面實(shí)現(xiàn)接近量子極限的性能。對(duì)于這一類(lèi)低溫系統(tǒng)，信號(hào)讀取與處理通常采用兩種方式：第一種是采用超導(dǎo)數(shù)字電路SFQ（單磁通量子技術(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算和處理；第二種是將信號(hào)傳送至幾十K的溫區(qū)，再采用低溫CMOS技術(shù)對(duì)進(jìn)行信號(hào)處理。然而，不論采用何種技術(shù)路徑，數(shù)字電路的功耗都必須控制在極小范圍之內(nèi)，從而保持極低溫的工作環(huán)境，維持低溫器件的高性能。隨著應(yīng)用需求的提高和低溫陣列器件規(guī)模的擴(kuò)大，低溫電子系統(tǒng)性能受到信號(hào)處理和傳輸技術(shù)的制約，急切需要新的方案進(jìn)行解決。圖1. (a) 采用超導(dǎo)納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的12門(mén)控或邏輯門(mén)；(b) 超導(dǎo)納米線(xiàn)數(shù)字編碼器芯片照片。針對(duì)此問(wèn)題，南京大學(xué)吳培亨院士領(lǐng)導(dǎo)的超導(dǎo)電子學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)，趙清源教授和康琳教授課題組設(shè)計(jì)出新型多門(mén)控超導(dǎo)納米線(xiàn)邏輯器件(superconducting nanowire cryotron, nTron)，并利用此器件搭建經(jīng)典二進(jìn)制數(shù)字編碼器；在1.6K的溫度下，成功實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息編碼，總功耗小于1微瓦(10-6瓦)。同時(shí)，他們還利用此編碼器對(duì)超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器陣列實(shí)現(xiàn)數(shù)字化讀出，為低溫陣列探測(cè)器的信號(hào)讀出和處理提供第三種解決方案。圖2. 超導(dǎo)納米線(xiàn)邏輯芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子探測(cè)器陣列的數(shù)字化讀取。半導(dǎo)體數(shù)字電路，經(jīng)歷了從電子管、晶體管、混合集成電路至大規(guī)模集成電路的發(fā)展過(guò)程。每一代技術(shù)的升級(jí)變革，其核心推力都是基礎(chǔ)邏輯器件的更新?lián)Q代。前沿技術(shù)領(lǐng)域?qū)Τ瑢?dǎo)電子器件的應(yīng)用需求，也正將超導(dǎo)電子技術(shù)推向數(shù)字化的發(fā)展時(shí)代。南京大學(xué)吳培亨院士團(tuán)隊(duì)基于超導(dǎo)納米線(xiàn)技術(shù)，開(kāi)展了新型超導(dǎo)邏輯器件(nTron)的研究工作。nTron為單層平面器件，利用局部超導(dǎo)相變，實(shí)現(xiàn)高速低功耗的開(kāi)關(guān)邏輯。

南京大學(xué) 2021-04-11

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