为了追求极限性能，越来越多的电子系统需要在低温条件下工作。例如，在量子计算机、高性能传感器、深空观测以及一些经典信息处理系统中，通常使用工作温度为2K甚至是mk温区的低温器件，从而在噪声、速度和灵敏度等方面实现接近量子极限的性能。对于这一类低温系统，信号读取与处理通常采用两种方式：第一种是采用超导数字电路SFQ（单磁通量子技术）来实现高性能计算和处理；第二种是将信号传送至几十K的温区，再采用低温CMOS技术对进行信号处理。然而，不论采用何种技术路径，数字电路的功耗都必须控制在极小范围之内，从而保持极低温的工作环境，维持低温器件的高性能。随着应用需求的提高和低温阵列器件规模的扩大，低温电子系统性能受到信号处理和传输技术的制约，急切需要新的方案进行解决。
图1. (a)采用超导纳米线结构实现的12门控或逻辑门；(b)超导纳米线数字编码器芯片照片。
针对此问题，南京大学吴培亨院士领导的超导电子学研究所团队，赵清源教授和康琳教授课题组设计出新型多门控超导纳米线逻辑器件(superconducting nanowire cryotron, nTron)，并利用此器件搭建经典二进制数字编码器；在1.6K的温度下，成功实现数字信息编码，总功耗小于1微瓦(10-6瓦)。同时，他们还利用此编码器对超导纳米线单光子探测器阵列实现数字化读出，为低温阵列探测器的信号读出和处理提供第三种解决方案。
图2.超导纳米线逻辑芯片实现对单光子探测器阵列的数字化读取。
半导体数字电路，经历了从电子管、晶体管、混合集成电路至大规模集成电路的发展过程。每一代技术的升级变革，其核心推力都是基础逻辑器件的更新换代。前沿技术领域对超导电子器件的应用需求，也正将超导电子技术推向数字化的发展时代。南京大学吴培亨院士团队基于超导纳米线技术，开展了新型超导逻辑器件(nTron)的研究工作。nTron为单层平面器件，利用局部超导相变，实现高速低功耗的开关逻辑。响应区域为宽度<100nm的纳米线结构，具有集成度高、灵敏度高、驱动能力强、抗磁场噪声、功耗低等多个优点。最新的研究进展发表在《Nano Letters》。论文详细介绍了nTron编码器的速度、工作区间、功耗和时间抖动等特性，证实了nTron器件在低温环境下的优异性能。审稿人对此项工作给出了专业的评价：“研究在复杂度和性能上相较于现有的报道优势非常显著”、“利用nTron编码器读出SNSPD阵列，具备了非常强的新颖性和应用潜力”。
此项工作为后续开展更大规模、更多功能的nTron数字电路研究奠定基础。nTron电路作为中间桥梁，将超导器件与微纳光器件、CMOS电路、超导量子比特、自旋电子器件等不同体系的电子系统相连，使构建成低温环境下的超级混合电路成为可能，可最大程度发挥超导电子器件的极端性能。
值得注意的是，相比半导体数字电路来说，目前nTron数字电路的研究与开发还处于初级阶段，需要研究者们在器件研发、电路设计规则、加工技术等多方面展开努力。这也是吴培亨院士团队下一步的工作方向之一。
本项研究成果论文发表在《Nano Letters》上，A Superconducting Binary Encoder with Multigate Nanowire Cryotrons, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00498。南京大学博士生郑凯为本论文第一作者，通讯作者是南京大学赵清源教授和康琳教授，吴培亨院士在创新点和研究方向上给出关键指导，相关工作得到陈健教授、张蜡宝教授、贾小氢教授、涂学凑高工以及微纳加工中心潘丹峰工程师的大力协助。该项目一直受到俞大鹏院士的关注和大力支持。资助基金包括国家重点研发计划，国家自然科学基金，青年千人人才计划，中央高校基金，江苏高校优势学科建设工程，江苏省青蓝工程，江苏省电磁波特征信息调控技术重点实验室。
来源 南京大学
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00498
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