戰略突破！我國科學家發明“量子閃存”技術！

戍天九思原創第1258期

據7 月18日《科技日報》報道，7月17日，復旦大學周鵬、劉春森團隊在學術期刊《科學》發表最新成果：團隊發明“量子閃存”技術，研制出具有全球最大非易失量子存儲窗口的器件，開創單電子量子存儲理論體系，為量子存儲工程應用補齊關鍵理論短板。

這項被命名為“歸壹”的量子閃存器件，成功摘取了電荷存儲領域一座“圣杯”——單電子存儲。它不僅徹底打破了“單電子存儲無法實現”的傳統認知，更開創了單電子量子存儲的全新理論體系，為AI時代算力革命奠定了關鍵的理論與工程基礎。

一、困局：存儲瓶頸如何卡住AI的脖子？

要理解這項突破的意義，首先需要看清當前存儲技術的困境。

如果把存儲器件比作一個“蓄水池”，電子就是池中的“一滴水”。當前主流的動態隨機存儲器（DRAM），存儲1比特信息需要消耗約20萬個電子。更致命的是，DRAM是易失性存儲器——電容會不斷漏電，必須周期性刷新充電才能保留數據。

而閃存（Flash）雖然非易失——斷電后數據不丟失，但速度太慢。AI每次調用數據都像在倉庫里翻找文件，快不起來。高速、非易失、低功耗——這三個看似矛盾的需求，長期無法兼得。

上世紀末，美國科學家曾試圖在實驗室觀測單電子存儲，但單個電子僅貢獻了數十毫伏的電壓變化，且狀態在不到5秒內就消失。這場曇花一現的實驗，一度讓全球科學界對單電子存儲的觀測與應用不抱希望。

二、破局：從“20萬個電子”到“1個電子”

面對這一困境，周鵬、劉春森團隊從量子力學基本原理出發，重新審視單個電子操控的邊界。

核心創新在于結構設計。 根據海森堡不確定性原理，當電子被限制在越小的空間，其能量波動就越大，量子效應就越顯著。團隊巧妙利用二維半導體原子級厚度的天然“囚禁”優勢，獨創性地提出了自對準平面裁剪方案，成功構建出共面的漏極-溝道-源極“歸壹”結構。

▲二維共平面漏極-溝道-源極“歸壹”結構

實驗結果令人震撼：僅需注入單個電子，存儲窗口便可達0.5伏特，數據在室溫（27℃） 下依然保持穩定。相較于1997年《科學》雜志報道的55 mV且僅能維持5秒的硅基單電子存儲，這項工作將室溫下的單電子量子態信號放大了近一個數量級，并具備了真正的非易失性。

值得注意的是，這種宏觀可觀測的量子化行為在科學界一直被默認只能在極低溫環境下出現。例如，2025年斬獲諾貝爾物理學獎的“電路中宏觀量子隧穿與能級量子化”研究，其關鍵實驗是在接近絕對零度的極低溫（約-272℃）下完成的。復旦團隊在27℃室溫下實現這一突破，其難度可想而知。

三、理論奠基：“態密度剪刀”開創全新范式

團隊不僅實現了工程突破，更完成了理論創新。他們獨創性地提出了 “態密度剪刀”理論——通過構筑雙狄拉克結構，在微觀世界中引入無法容納電子的“零態密度”區間。

周鵬教授用一個生動的比喻解釋了這個概念：電子想在存儲層“安家”，需要一個能待的位置，就像一個人要坐下，得先有一把椅子。團隊利用石墨烯獨特的態密度分布，如同揮動一把“剪刀”，精準搬走房間里的某一把“椅子”。電子進入后找不到對應的位置，這個電子對應的量子態也就被選擇性“裁去”。

這一理論創新，讓單電子量子態由過去的“偶然看見”變成了今天的 “精準操控” 。《科學》期刊評價稱，該成果“引入全新理論機制，讓量子態工程化操控成為現實，在存儲物理與納米器件領域具備廣闊前景與重大影響力”。

四、八年磨一劍：從“破曉”到“歸壹”的積累

這項突破并非一蹴而就。以底層器件為錨點，團隊聚焦存儲根本問題，層層攻關近八年時間。

早在2018年，團隊利用多重二維材料構建二維半浮柵閃存結構，將存取速度提升至10納秒量級。2024年前后，陸續攻克電荷極性、電場控制等細節問題。2025年4月，團隊在《自然》期刊提出 “破曉（PoX）”器件，實現了世界最快400皮秒超高速非易失存儲，解決了自1967年浮柵晶體管發明后，高速與非易失無法兼得的基礎性難題。半年后，團隊融入CMOS工藝研發出 “長纓（CY-01）” 混合架構全功能閃存芯片，入選2025年度 “中國科學十大進展” 。

從“破曉”到“長纓”再到“歸壹”，團隊完成了速度、集成、密度三大維度的全面突破。

五、產業前景：從實驗室到市場的清晰路徑

0.5伏特的存儲窗口已跨過商業化應用的門檻。團隊透露，今年下半年將成立一家初創公司，力爭3到5年實現商業化。

在制造工藝上，團隊在二維存儲與8英寸及12英寸CMOS晶圓異質集成制造領域已具備成熟工藝基礎。得益于二維半導體的異質集成工藝復雜度遠低于體硅晶體的摻雜、隔離等方案，未來的存儲芯片有望在成本上與主流產品持平甚至更具優勢。

更值得關注的是其 “存算一體” 潛力。該技術可通過半導體后道集成技術（BEOL），將存儲單元直接集成在計算單元上方，使信息傳輸距離縮短至百納米級。數據中心面臨的最大瓶頸在于存算交互過程中的能耗損失——數據搬運功耗往往是計算功耗的數倍。量子閃存技術能從源頭上解決這一痛點。

六、戰略意義：換道超車的中國機會

當前全球存儲芯片市場由美、韓企業主導，中國企業長期處于追趕者位置。量子閃存技術代表了一條 “換道超車” 的全新路徑。

這不僅是一項技術突破，更是一個完整的理論體系和可產業化的技術路線。從底層材料、器件創新到高端芯片集成與應用，團隊已系統性地打通了全鏈條。《科學》雜志的評價——“前景廣闊、潛在高影響力”——印證了這項工作的國際認可度。

人工智能的飛速發展對存儲技術提出了前所未有的要求。量子閃存技術將電荷存儲的信息密度提升至理論極限，實現了“一電子一比特”，是能真正滿足人工通用智能（AGI） 需求的新一代存儲核心。從手機低功耗運行大模型，到數據中心大幅降低能耗，量子閃存技術的想象空間不可估量。

從20萬個電子到1個電子，從極低溫到室溫，從理論設想到工程實現——中國科學家用八年時間，將存儲技術推向了物理的極致。這不僅是中國的突破，更是人類信息存儲史上的一座里程碑。