近日，依托国家超级计算郑州中心“嵩山”超级计算机的强大算力，先进计算与智能工程国家级重点实验室研究团队在超导量子计算关键器件——约瑟夫森结关键物性预测研究方面取得重要进展。相关成果以“Revealing the role of interface disorder in modulating critical current density of Josephson junctions”为题，发表在国际知名材料计算期刊《npj Computational Materials》上。该研究中的大规模模拟计算工作，得到了“嵩山”超级计算机的高性能算力支持。

揭示Jc波动机制的多尺度工作流

超导量子计算是实现量子优越性的重要技术路线，其中铝基三层约瑟夫森结（Al/AlOₓ/Al）是构建超导量子比特的核心器件。然而，Jc的不可控波动会引发量子比特频率漂移，严重制约量子处理器的一致性、可控性与规模化集成。长期以来，相关研究主要聚焦于势垒厚度的调控作用，而界面原子尺度的无序对Jc的物理影响机制仍缺乏系统认知。

针对这一关键问题，研究团队结合多尺度模拟、实验表征与机器学习分析，首次提出并量化了“界面键合拓扑因子（IBTF）”，用以刻画界面键角波动与氧配位不均匀性等无序特征。研究发现，Jc与IBTF及势垒厚度（d）之间满足指数衰减关系：Jc ∝ e^{-IBTF·d}，该模型可解释91.88%的Jc波动，显著优于仅考虑厚度效应的传统模型（71.30%）。研究团队通过孪晶工程实现了对IBTF的主动调控，揭示了界面无序影响电子输运的微观机制。基于对IBTF物理内涵的深入理解，研究团队进一步提出了界面优化的工艺指南，包括沉积速率、氧化工艺与退火条件的调控策略，为高性能约瑟夫森结的制备提供了可操作的实验方案。

本项研究的核心量子输运计算工作，依托国家超级计算郑州中心“嵩山”国产先进计算平台完成，不仅显著提升了计算效率与模型可靠性，更彰显了国产超算在材料设计与量子器件研发中的关键支撑作用。

《npj Computational Materials》是自然出版集团旗下的高水平跨学科计算材料学期刊（中科院一区Top期刊，影响因子11.9），重点关注材料计算、设计与发现领域的前沿研究，在材料科学、物理化学及计算工程领域具有重要国际影响力。

该工作得到了河南省重大科技专项《超导量子芯片设计与制备关键技术研究》、河南省自然科学基金等项目的支持。先进计算与智能工程国家级重点实验室为第一单位和通讯单位，共同参加单位包括郑州大学材料学院、中原工学院、中国科学院过程工程研究所。

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https://doi.org/10.1038/s41524-025-01941-7