存储芯片新突破：中国团队室温实现单电子存储

作者 | 第一财经金叶子

随着人工智能技术的迅猛演进，市场对计算能力的需求日益激增。作为算力构建的基石，存储芯片面临的数据交互延迟与功耗难题，已成为限制算力飞跃的关键瓶颈，而中国科学家的最新发现有望打破这一僵局。

近日，复旦大学周鹏与刘春森领衔的团队在室温条件下单电子非易失性量子存储技术方面取得重大进展。该成果不仅突破了量子效应仅在极低温下才能稳定观测的物理壁垒，更达成了“单个电子承载一个信息比特”的物理极限，使存储功耗呈几何级数下降。

这项“换道超车”的原创性成果于北京时间7月17日凌晨2点登上了《科学》（Science）主刊。Science杂志对此评价道：“前景广阔、具备高潜在影响力，在存储物理学及纳米器件工程领域备受瞩目”；“引入全新的理论机制（态密度剪刀），使得量子态的工程化操控成为现实”。

周鹏教授在接受第一财经采访时透露，团队计划于今年下半年正式注册成立初创公司，首要目标是完成基于现有半导体产线改造的芯片验证工作。

在此之前，周鹏-刘春森团队凭借对麦克斯韦第一方程的深刻理解与阐释，成功研制出全球速度最快的400皮秒“破晓（PoX）”闪存器件，攻克了自1967年浮栅晶体管问世以来高速与非易失性无法兼得的基础难题；同时融合CMOS工艺研发出“长缨（CY-01）”混合架构全功能闪存芯片，被Nature杂志誉为“原创性突破”，并入选2025年度“中国科学十大进展”。

“破晓”寓意黎明初现，“长缨”象征执剑在手。当人类最快的电子存储速度由“破晓”开启后，其密度极限究竟在何处？作为不可分割的基本粒子，电子在理论上被视为构建最小数据单元的终极载体——单电子存储。然而，由于其涉及基本粒子的量子行为，长期以来被科学界视为“理论上可行、实验中难以观测”的空中楼阁，其实际应用更被认为遥不可及。

目前主流的动态随机存储器（DRAM）需在器件中维持20万个电子才能独立表示一个信息位，限制了高密度的实现可能。若将存储电荷的器件比作“大水库”，过往技术需将水库蓄满才能确认是否有水，但水库同时还在持续漏水。复旦大学周鹏-刘春森团队通过重构“水库”结构，仅凭“一滴水”即可实现“无泄漏”地感知世界。这是因为当电荷存储器件的尺度逼近物理极限时，微观世界的量子效应将急剧放大。此时，仅存储“一个”电子，便足以引发器件状态的显著变化。

何为“单电子存储”？周鹏形象地比喻：过去我们需要在“房间”里塞满20万人，才能感知到“有人”；如今由于器件极其微小且灵敏，哪怕只进来一个人（一个电子），房间的整体电势就会发生剧烈波动并被精准捕捉。

“破晓（PoX）”皮秒闪存器件，其擦写速度可提升至亚1纳秒（400皮秒），是迄今为止全球最快的半导体电荷存储技术，复旦大学供图

团队首次在室温（27℃）环境下，清晰观测到了单电子的非易失性存储行为。团队将这一技术带入室温环境，破解了其走向产业化的最大瓶颈。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。

团队不仅在量子存储窗口上实现了跨越，更在基础层面进行了颠覆性创新，首次提出了“态密度剪刀”理论。刘春森介绍，通过构筑双狄拉克结构，在微观世界中引入了无法容纳电子的“零态密度”区间，从而实现了对量子态的操控。基于这种全新的“剪刀机制”，团队在世界上首次揭示了一种前所未见的反常量子存储行为：在能量空间中用一把无形的“量子剪刀”将特定的量子态精准“裁剪”使其凭空消失。这一成果不仅开创了单电子量子存储的全新理论体系，更为量子存储走向工程应用，拼上了至关重要的一块理论版图。

关于产业落地，当前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）。本技术不仅能提供超低功耗的存储阵列，更能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。这种极佳的“存算一体”特性，能从源头上解决算力中心的能耗痛点，赋能国家“东数西算”战略。

复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院青年研究员刘春森和教授周鹏为论文通讯作者，刘春森和博士生向昱桐为论文第一作者。研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、上海市基础研究特区计划等项目的资助，以及教育部集成攻关大平台的支持。