新型超导二极管可以提高量子计算机和人工智能的性能

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明尼苏达大学（University of Minnesota）双城分校的研究团队开发了一种新型超导二极管，这是电子设备中的关键部件，可以帮助扩大量子计算机的工业用途并提高人工智能系统的性能。与其他超导二极管相比，研究人员的设备更节能；可同时处理多个电信号；并包含一系列控制能量流动的门，这是以前从未集成到超导二极管中的功能。

该论文以「Gate-tunable superconducting diode effect in a three-terminal Josephson device」为题，于 2023 年 5 月 29 日发布在《Nature Communications》。

二极管允许电流在电路中以一个方向流动，但不可以反方向流动。它本质上是晶体管的一半，是计算机芯片中的主要元件。二极管通常由半导体制成，但研究人员对用超导体制造它们很感兴趣，超导体能够传输能量而不会在此过程中损失任何功率。

「我们想让计算机更强大，但我们目前的材料和制造方法很快就会遇到一些硬性限制。」该论文的资深作者、明尼苏达大学学院物理学和天文学副教授 Vlad Pribiag 说，「我们需要开发计算机的新方法，而目前提高计算能力的最大挑战之一是它们会消耗大量能量。因此，我们正在考虑超导技术可能有助于解决这个问题的方法。」

明尼苏达大学的研究人员使用三个约瑟夫森结（Josephson junction）创建了该设备，这些结是通过将非超导材料夹在超导体之间制成的。在这种情况下，研究人员将超导体与半导体层连接起来。该设备的独特设计允许研究人员使用电压来控制设备的行为。

他们的设备还具有处理多个信号输入的能力，而典型的二极管只能处理一个输入和一个输出。此功能可以应用于神经形态计算，这是一种工程电路的方法，可以模仿大脑中神经元的功能，从而提高人工智能系统的性能。

「我们制造的设备具有接近有史以来最高的能源效率，而且我们第一次展示了你可以添加门并施加电场来调整这种效果。」 该论文的作者，明尼苏达大学物理与天文学院的 Ph.D Mohit Gupta 解释说，「其他研究人员以前制造过超导设备，但他们使用的材料很难制造。我们的设计使用了对工业更友好并提供新功能的材料。」

原则上，研究人员使用的方法可用于任何类型的超导体，使其比该领域的其他技术更通用、更易于使用。由于这些品质，他们的设备更适合行业应用，并有助于扩大量子计算机的开发规模，以实现更广泛的应用。

「目前，相对于实际应用的需求，所有的量子计算机都非常基础。」 Pribiag 说，「为了拥有一台足够强大的计算机来解决有用的、复杂的问题，扩大规模是必要的。很多人正在研究计算机或 AI 机器的算法和用例，这些计算机或 AI 机器的性能可能优于传统计算机。在这里，我们正在开发可以使量子计算机实现这些算法的硬件。这显示了大学播种这些想法的力量，这些想法最终会进入工业并被集成到实际机器中。」