低温低功耗集成电路
研究背景
数字电路衍生出计算机、互联网、人工智能等变革性技术，占据全球信息化进程的主导地位，是现代社会高速发展的保障。基于半导体技术的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；每一次数字电路的变革中，基础逻辑器件的更新换代都至关重要。基础逻辑器件工作机理的研究是支撑技术变革的基础，具有重要的战略作用。
超导电子技术的发展也需要进入数字化的时代。超导数字电路的发展目前也处于最好的发展环境。根据国内外研究现状，超导数字电路研究的应用需求和科研前瞻性，具体表现在以下三个方面：
（一）量子计算走向实用化的量子计算机的过程中，面临的核心问题是集成度，仅仅靠量子比特的增加无法解决集成度问题。需要经典集成电路的配合。所以研究高速、低功耗的超导数字电路对于提高量子计算机集成度与规模至关重要。
（二）超导数字电路将带动超导纳米线单光子探测器（SNSPD）从单个器件发展至大规模阵列。SNSPD性能优异，但在集成过程中缺少数字读出电路的支持，使用超导数字器件实现超导探测器阵列的数字化读出，是相对直接的解决方案。
（三）超导数字电路在超导量子计算机和类脑神经网络计算中具有应用潜力。除了应用于低功耗、高速的超导计算机，超导逻辑器件在其它新兴计算机架构中也能发挥优势。目前，国际上已有多个研究小组在从事利用超导电子器件构建人工神经元的工作。
图注：超导数字电路搭建的4-bit编码器及器件图
研究内容
目前的超导数字电路方案中，快速单磁通量子电路（RSFQ）经过多年发展已基本成熟。本课题组将研究基于超导纳米线三端子结构的新型数字器件（nanowire cryotron,简称nTron）及其衍生器件（hTron，yTron等），为超导数字电路的继续发展提供另一种研究思路。不同于约瑟夫森结的三层结构，nTron器件为单层平面器件，具备核心尺寸小，灵敏度高，高驱动能力，抗磁场噪声，功耗低等多个优点，成为量子计算机集成电路等其他应用不可低估的解决方案。目前本课题组对于该研究方向有以下几种分支：
· 超导纳米线三端子器件研究与制备
· 超导纳米线数字电路设计与实现
· 大阵列SNSPD读出电路设计
· 超导纳米线集成电路设计
图注：nTron工作原理和器件SEM图
图注：4-bit集成 nTron数字编码器[Appl. Phys. Lett. 124, 192601 (2024)]和超导符合光子计数器
应用前景
IRDS 2022年路线图在低温下量子信息器件与系统中已经明确指出nTron是一种新型的超导逻辑器件。nTron作为一种新型的超导数字逻辑器件不仅能够完成大规模SNSPD的输出任务，亦能满足超导量子计算以及光量子计算的低功耗、集成化电路的需求，同时也能在人工智能等领域中发挥优势。
图注：IEEE IRDS 2023路线图“低温电子学与量子信息处理”
招生导向
我们欢迎对超导电子学、数字逻辑电路、低功耗性能、微纳加工等方向有兴趣的同学加入。课题组提供完整的器件设计与测量、纳米制备、量子实验平台，以及充足的机会在国际前沿学术会议上交流，共同探索超导数字器件在经典或量子计算等领域的应用。
内容更新人员：刘乃滔