為了追求極限性能，越來越多的電子系統需要在低溫條件下工作。例如，在量子計算機、高性能傳感器、深空觀測以及一些經典信息處理系統中，通常使用工作溫度為2K甚至是mk溫區的低溫器件，從而在噪聲、速度和靈敏度等方面實現接近量子極限的性能。對於這一類低溫系統，信號讀取與處理通常採用兩種方式：第一種是採用超導數字電路SFQ（單磁通量子技術）來實現高性能計算和處理；第二種是將信號傳送至幾十K的溫區，再採用低溫CMOS技術對進行信號處理。然而，不論採用何種技術路徑，數字電路的功耗都必須控制在極小範圍之內，從而保持極低溫的工作環境，維持低溫器件的高性能。隨著應用需求的提高和低溫陣列器件規模的擴大，低溫電子系統性能受到信號處理和傳輸技術的制約，急切需要新的方案進行解決。
圖1. (a) 採用超導納米線結構實現的12門控或邏輯門；(b) 超導納米線數字編碼器芯片照片。
針對此問題，南京大學吳培亨院士領導的超導電子學研究所團隊，趙清源教授和康琳教授課題組設計出新型多門控超導納米線邏輯器件(superconducting nanowire cryotron, nTron)，並利用此器件搭建經典二進制數字編碼器；在1.6K的溫度下，成功實現數字信息編碼，總功耗小於1微瓦(10-6瓦)。同時，他們還利用此編碼器對超導納米線單光子探測器陣列實現數字化讀出，為低溫陣列探測器的信號讀出和處理提供第三種解決方案。
圖2. 超導納米線邏輯芯片實現對單光子探測器陣列的數字化讀取。
半導體數字電路，經歷了從電子管、晶體管、混合集成電路至大規模集成電路的發展過程。每一代技術的升級變革，其核心推力都是基礎邏輯器件的更新換代。前沿技術領域對超導電子器件的應用需求，也正將超導電子技術推向數字化的發展時代。南京大學吳培亨院士團隊基於超導納米線技術，開展了新型超導邏輯器件(nTron)的研究工作。nTron為單層平面器件，利用局部超導相變，實現高速低功耗的開關邏輯。最新的研究進展發表在《Nano Letters》。論文詳細介紹了nTron編碼器的速度、工作區間、功耗和時間抖動等特性，證實了nTron器件在低溫環境下的優異性能。審稿人對此項工作給出了專業的評價：“研究在複雜度和性能上相較於現有的報道優勢非常顯著”、“利用nTron編碼器讀出SNSPD陣列，具備了非常強的新穎性和應用潛力”。
此項工作為後續開展更大規模、更多功能的nTron數字電路研究奠定基礎。nTron電路作為中間橋樑，將超導器件與微納光器件、CMOS電路、超導量子比特、自旋電子器件等不同體系的電子系統相連，使構建成低溫環境下的超級混合電路成為可能，可最大程度發揮超導電子器件的極端性能。
值得注意的是，相比半導體數字電路來說，目前nTron數字電路的研究與開發還處於初級階段，需要研究者們在器件研發、電路設計規則、加工技術等多方面展開努力。這也是吳培亨院士團隊下一步的工作方向之一。
本項研究成果論文發表在《Nano Letters》上，A Superconducting Binary Encoder with Multigate Nanowire Cryotrons, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00498。南京大學博士生鄭凱為本論文第一作者，通訊作者是南京大學趙清源教授和康琳教授，吳培亨院士在創新點和研究方向上給出關鍵指導，相關工作得到陳健教授、張蠟寶教授、賈小氫教授、塗學湊高工以及微納加工中心潘丹峰工程師的大力協助。該項目一直受到俞大鵬院士的關注和大力支持。資助基金包括國家重點研發計劃，國家自然科學基金，青年千人人才計劃，中央高校基金，江蘇高校優勢學科建設工程，江蘇省青藍工程，江蘇省電磁波特徵信息調控技術重點實驗室。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00498
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