美國(guó)超導(dǎo)芯片突破！一塊芯片實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算合體

在一塊僅僅兩英寸的晶圓上，竟然能塞進(jìn) 2500 萬(wàn)個(gè)量子計(jì)算的核心組件——這不僅是數(shù)量的暴力美學(xué)，更是讓“經(jīng)典”與“量子”在同一塊芯片上共舞的世紀(jì)牽手！

2025年10月30日，《自然-納米技術(shù)》刊登了一項(xiàng)突破性的成果。美國(guó)紐約大學(xué)（NYU）物理學(xué)家Javad Shabani教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合澳大利亞昆士蘭大學(xué)，成功研發(fā)出一種新型半導(dǎo)體材料。他們打破了長(zhǎng)達(dá)60年的物理魔咒，讓半導(dǎo)體與超導(dǎo)體“合二為一”。這意味著，人類極有可能不需要推翻現(xiàn)有的萬(wàn)億級(jí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，就能直接在傳統(tǒng)的硅/鍺芯片上生長(zhǎng)出量子計(jì)算機(jī)。

這背后的故事，要從半導(dǎo)體界的“皇位之爭(zhēng)”說(shuō)起。

在當(dāng)今的數(shù)字帝國(guó)里，硅（Silicon）是絕對(duì)的王者。但隨著量子時(shí)代的叩門，硅顯得有些力不從心。為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，我們需要一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)——超導(dǎo)（電阻為零）。

但這就好比你想在一輛燃油車?yán)飶?qiáng)行塞進(jìn)一套核聚變引擎，兩者在物理屬性上簡(jiǎn)直是“八字不合”。

早在1964年，加州大學(xué)伯克利分校的 Marvin Cohen 教授就提出了一個(gè)大膽的猜想：能不能通過(guò)“摻雜”（Doping），把半導(dǎo)體直接變成超導(dǎo)體？也就是往半導(dǎo)體里加點(diǎn)料，讓它性格大變。

這個(gè)想法很美，但現(xiàn)實(shí)很骨感。過(guò)去的幾十年里，無(wú)數(shù)科學(xué)家試圖用“轟擊”的方式把超導(dǎo)金屬原子打入硅或鍺的內(nèi)部。結(jié)果呢？

原子確實(shí)進(jìn)去了，但晶體結(jié)構(gòu)也被打爛了。這就好比你為了往墻里塞磚頭，結(jié)果把整面墻都砸塌了。這種暴力的“注入式摻雜”不僅破壞了晶格，還面臨一個(gè)物理學(xué)的死胡同——溶解度極限。

什么意思？想象一下你往水里加糖，加到一定程度，糖就不化了，只能沉底結(jié)塊。在原子層面也是一樣，摻雜太多，原子就會(huì)聚集成團(tuán)，導(dǎo)致材料徹底廢掉。

直到現(xiàn)在， Javad Shabani 團(tuán)隊(duì)換了一種“溫柔”的打法。

他們沒(méi)有搞暴力轟擊，而是采用了一種名為分子束外延（MBE）的技術(shù)。這就像是在原子層面玩“樂(lè)高積木”，或者說(shuō)是“3D打印”。他們不再是把原子硬塞進(jìn)去，而是創(chuàng)造特定的真空條件，讓鍺原子和鎵原子一層一層地、整整齊齊地“長(zhǎng)”在一起。

就在這種精細(xì)的生長(zhǎng)過(guò)程中，奇跡發(fā)生了。

科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)驚人的比例：在鍺晶體中，每 8 個(gè)原子里就有 1 個(gè)被替換成了鎵（Gallium）。

這是什么概念？這不僅突破了所謂的“溶解度極限”，更是創(chuàng)造了一種全新的“超摻雜”材料（Ga:Ge）。

經(jīng)過(guò)昆士蘭大學(xué)的精密檢測(cè)，這種新材料的晶體結(jié)構(gòu)整齊得令人發(fā)指。雖然鎵原子的加入讓晶格產(chǎn)生了一點(diǎn)點(diǎn)“四方畸變”（這就好比胖子擠進(jìn)了電梯，大家稍微挪了挪位置，但隊(duì)伍依然整齊），但正是這種微小的結(jié)構(gòu)變化，誘發(fā)了神奇的量子效應(yīng)。

數(shù)據(jù)不會(huì)撒謊：

1. 超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到3.5K。別小看這個(gè)接近絕對(duì)零度的數(shù)字，要知道，純鎵的超導(dǎo)溫度才只有1K左右。這種合金的性能竟然比它的“母體”還要強(qiáng)，簡(jiǎn)直是青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。

2. 極低的無(wú)序度。這是量子比特（Qubit）最喜歡的環(huán)境。無(wú)序度越低，量子比特就越不容易“退相干”（Decoherence），也就是越不容易出錯(cuò)。

Javad Shabani 教授對(duì)此打了個(gè)絕妙的比方：我們并沒(méi)有違反物理定律，我們只是用了一種“噴涂”的方法，繞過(guò)了傳統(tǒng)的限制。

這項(xiàng)突破還有個(gè)最性感的點(diǎn)：它太“親民”了。

鍺（Germanium）本就是半導(dǎo)體工業(yè)的老朋友，與硅高度兼容。這意味著，我們現(xiàn)有的、價(jià)值數(shù)萬(wàn)億美元的芯片制造基礎(chǔ)設(shè)施，不需要被拋棄。

通過(guò)這種技術(shù)，我們可以在同一塊晶圓上，一邊利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體邏輯電路處理數(shù)據(jù)，一邊利用新生成的超導(dǎo)區(qū)域進(jìn)行量子運(yùn)算。

還記得開頭那個(gè)震撼的數(shù)字嗎？

Shabani 教授指出，利用這種技術(shù)，可以在一個(gè)兩英寸的晶圓上制造2500 萬(wàn)個(gè)約瑟夫森結(jié)（Josephson junctions）——這是超導(dǎo)量子計(jì)算的量子比特。

以前，這些組件動(dòng)輒毫米級(jí)，笨重且難以集成；現(xiàn)在，它們可以像像素點(diǎn)一樣密集排列。

從“只能在實(shí)驗(yàn)室里小心翼翼呵護(hù)的嬌貴儀器”，到“可以直接長(zhǎng)在芯片上的量產(chǎn)組件”，量子計(jì)算的商業(yè)化進(jìn)度條，可能因?yàn)檫@項(xiàng)研究被狠狠地拉快一大截。

正如 Shabani 所言：這可能會(huì)讓固態(tài)量子計(jì)算的時(shí)間表大幅縮短。

當(dāng)經(jīng)典計(jì)算的穩(wěn)健遇上量子計(jì)算的狂野，芯片界的一場(chǎng)革命，或許才剛剛開始。

參考文獻(xiàn)：Steele, J. A., Strohbeen, P. J., Verdi, C., et al. Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films. Nature Nanotechnology (2025).