战略突破！我国科学家发明“量子闪存”技术！

戍天九思原创第1258期

据7 月18日《科技日报》报道，7月17日，复旦大学周鹏、刘春森团队在学术期刊《科学》发表最新成果：团队发明“量子闪存”技术，研制出具有全球最大非易失量子存储窗口的器件，开创单电子量子存储理论体系，为量子存储工程应用补齐关键理论短板。

这项被命名为“归壹”的量子闪存器件，成功摘取了电荷存储领域一座“圣杯”——单电子存储。它不仅彻底打破了“单电子存储无法实现”的传统认知，更开创了单电子量子存储的全新理论体系，为AI时代算力革命奠定了关键的理论与工程基础。

一、困局：存储瓶颈如何卡住AI的脖子？

要理解这项突破的意义，首先需要看清当前存储技术的困境。

如果把存储器件比作一个“蓄水池”，电子就是池中的“一滴水”。当前主流的动态随机存储器（DRAM），存储1比特信息需要消耗约20万个电子。更致命的是，DRAM是易失性存储器——电容会不断漏电，必须周期性刷新充电才能保留数据。

而闪存（Flash）虽然非易失——断电后数据不丢失，但速度太慢。AI每次调用数据都像在仓库里翻找文件，快不起来。高速、非易失、低功耗——这三个看似矛盾的需求，长期无法兼得。

上世纪末，美国科学家曾试图在实验室观测单电子存储，但单个电子仅贡献了数十毫伏的电压变化，且状态在不到5秒内就消失。这场昙花一现的实验，一度让全球科学界对单电子存储的观测与应用不抱希望。

二、破局：从“20万个电子”到“1个电子”

面对这一困境，周鹏、刘春森团队从量子力学基本原理出发，重新审视单个电子操控的边界。

核心创新在于结构设计。 根据海森堡不确定性原理，当电子被限制在越小的空间，其能量波动就越大，量子效应就越显著。团队巧妙利用二维半导体原子级厚度的天然“囚禁”优势，独创性地提出了自对准平面裁剪方案，成功构建出共面的漏极-沟道-源极“归壹”结构。

▲二维共平面漏极-沟道-源极“归壹”结构

实验结果令人震撼：仅需注入单个电子，存储窗口便可达0.5伏特，数据在室温（27℃） 下依然保持稳定。相较于1997年《科学》杂志报道的55 mV且仅能维持5秒的硅基单电子存储，这项工作将室温下的单电子量子态信号放大了近一个数量级，并具备了真正的非易失性。

值得注意的是，这种宏观可观测的量子化行为在科学界一直被默认只能在极低温环境下出现。例如，2025年斩获诺贝尔物理学奖的“电路中宏观量子隧穿与能级量子化”研究，其关键实验是在接近绝对零度的极低温（约-272℃）下完成的。复旦团队在27℃室温下实现这一突破，其难度可想而知。

三、理论奠基：“态密度剪刀”开创全新范式

团队不仅实现了工程突破，更完成了理论创新。他们独创性地提出了 “态密度剪刀”理论——通过构筑双狄拉克结构，在微观世界中引入无法容纳电子的“零态密度”区间。

周鹏教授用一个生动的比喻解释了这个概念：电子想在存储层“安家”，需要一个能待的位置，就像一个人要坐下，得先有一把椅子。团队利用石墨烯独特的态密度分布，如同挥动一把“剪刀”，精准搬走房间里的某一把“椅子”。电子进入后找不到对应的位置，这个电子对应的量子态也就被选择性“裁去”。

这一理论创新，让单电子量子态由过去的“偶然看见”变成了今天的 “精准操控” 。《科学》期刊评价称，该成果“引入全新理论机制，让量子态工程化操控成为现实，在存储物理与纳米器件领域具备广阔前景与重大影响力”。

四、八年磨一剑：从“破晓”到“归壹”的积累

这项突破并非一蹴而就。以底层器件为锚点，团队聚焦存储根本问题，层层攻关近八年时间。

早在2018年，团队利用多重二维材料构建二维半浮栅闪存结构，将存取速度提升至10纳秒量级。2024年前后，陆续攻克电荷极性、电场控制等细节问题。2025年4月，团队在《自然》期刊提出 “破晓（PoX）”器件，实现了世界最快400皮秒超高速非易失存储，解决了自1967年浮栅晶体管发明后，高速与非易失无法兼得的基础性难题。半年后，团队融入CMOS工艺研发出 “长缨（CY-01）” 混合架构全功能闪存芯片，入选2025年度 “中国科学十大进展” 。

从“破晓”到“长缨”再到“归壹”，团队完成了速度、集成、密度三大维度的全面突破。

五、产业前景：从实验室到市场的清晰路径

0.5伏特的存储窗口已跨过商业化应用的门槛。团队透露，今年下半年将成立一家初创公司，力争3到5年实现商业化。

在制造工艺上，团队在二维存储与8英寸及12英寸CMOS晶圆异质集成制造领域已具备成熟工艺基础。得益于二维半导体的异质集成工艺复杂度远低于体硅晶体的掺杂、隔离等方案，未来的存储芯片有望在成本上与主流产品持平甚至更具优势。

更值得关注的是其 “存算一体” 潜力。该技术可通过半导体后道集成技术（BEOL），将存储单元直接集成在计算单元上方，使信息传输距离缩短至百纳米级。数据中心面临的最大瓶颈在于存算交互过程中的能耗损失——数据搬运功耗往往是计算功耗的数倍。量子闪存技术能从源头上解决这一痛点。

六、战略意义：换道超车的中国机会

当前全球存储芯片市场由美、韩企业主导，中国企业长期处于追赶者位置。量子闪存技术代表了一条 “换道超车” 的全新路径。

这不仅是一项技术突破，更是一个完整的理论体系和可产业化的技术路线。从底层材料、器件创新到高端芯片集成与应用，团队已系统性地打通了全链条。《科学》杂志的评价——“前景广阔、潜在高影响力”——印证了这项工作的国际认可度。

人工智能的飞速发展对存储技术提出了前所未有的要求。量子闪存技术将电荷存储的信息密度提升至理论极限，实现了“一电子一比特”，是能真正满足人工通用智能（AGI） 需求的新一代存储核心。从手机低功耗运行大模型，到数据中心大幅降低能耗，量子闪存技术的想象空间不可估量。

从20万个电子到1个电子，从极低温到室温，从理论设想到工程实现——中国科学家用八年时间，将存储技术推向了物理的极致。这不仅是中国的突破，更是人类信息存储史上的一座里程碑。