為了追求極限性能，越來越多的電子系統(tǒng)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(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現(xiàn)接近量子極限的性能。對于這一類低溫系統(tǒng)，信號讀取與處理通常采用兩種方式：第一種是采用超導數(shù)字電路SFQ（單磁通量子技術）來實現(xiàn)高性能計算和處理；第二種是將信號傳送至幾十K的溫區(qū)，再采用低溫CMOS技術對進行信號處理。然而，不論采用何種技術路徑，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。隨著應用需求的提高和低溫陣列器件規(guī)模的擴大，低溫電子系統(tǒng)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) 采用超導納米線結構實現(xiàn)的12門控或邏輯門；(b) 超導納米線數(shù)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)，并利用此器件搭建經(jīng)典二進制數(shù)字編碼器；在1.6K的溫度下，成功實現(xiàn)數(shù)字信息編碼，總功耗小于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(xiàn)數(shù)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(xiàn)對單光子探測器陣列的數(shù)字化讀取。

半導體數(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?lián)Q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(shù)字化的發(fā)展時代。南京大學吳培亨院士團隊基于超導納米線技術，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(xiàn)高速低功耗的開關邏輯。