美國超導芯片突破！一塊芯片實現經典計算和量子計算合體

在一塊僅僅兩英寸的晶圓上，竟然能塞進 2500 萬個量子計算的核心組件——這不僅是數量的暴力美學，更是讓“經典”與“量子”在同一塊芯片上共舞的世紀牽手！

2025年10月30日，《自然-納米技術》刊登了一項突破性的成果。美國紐約大學（NYU）物理學家Javad Shabani教授團隊，聯合澳大利亞昆士蘭大學，成功研發出一種新型半導體材料。他們打破了長達60年的物理魔咒，讓半導體與超導體“合二為一”。這意味著，人類極有可能不需要推翻現有的萬億級半導體產業鏈，就能直接在傳統的硅/鍺芯片上生長出量子計算機。

這背后的故事，要從半導體界的“皇位之爭”說起。

在當今的數字帝國里，硅（Silicon）是絕對的王者。但隨著量子時代的叩門，硅顯得有些力不從心。為了實現量子計算，我們需要一種特殊的物質狀態——超導（電阻為零）。

但這就好比你想在一輛燃油車里強行塞進一套核聚變引擎，兩者在物理屬性上簡直是“八字不合”。

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

這個想法很美，但現實很骨感。過去的幾十年里，無數科學家試圖用“轟擊”的方式把超導金屬原子打入硅或鍺的內部。結果呢？

原子確實進去了，但晶體結構也被打爛了。這就好比你為了往墻里塞磚頭，結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，還面臨一個物理學的死胡同——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，只能沉底結塊。在原子層面也是一樣，摻雜太多，原子就會聚集成團，導致材料徹底廢掉。

直到現在， Javad Shabani 團隊換了一種“溫柔”的打法。

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

就在這種精細的生長過程中，奇跡發生了。

科學家們實現了一個驚人的比例：在鍺晶體中，每 8 個原子里就有 1 個被替換成了鎵（Gallium）。

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

經過昆士蘭大學的精密檢測，這種新材料的晶體結構整齊得令人發指。雖然鎵原子的加入讓晶格產生了一點點“四方畸變”（這就好比胖子擠進了電梯，大家稍微挪了挪位置，但隊伍依然整齊），但正是這種微小的結構變化，誘發了神奇的量子效應。

數據不會撒謊：

1. 超導臨界溫度達到3.5K。別小看這個接近絕對零度的數字，要知道，純鎵的超導溫度才只有1K左右。這種合金的性能竟然比它的“母體”還要強，簡直是青出于藍而勝于藍。
2. 極低的無序度。這是量子比特（Qubit）最喜歡的環境。無序度越低，量子比特就越不容易“退相干”（Decoherence），也就是越不容易出錯。

Javad Shabani 教授對此打了個絕妙的比方：我們并沒有違反物理定律，我們只是用了一種“噴涂”的方法，繞過了傳統的限制。

這項突破還有個最性感的點：它太“親民”了。

鍺（Germanium）本就是半導體工業的老朋友，與硅高度兼容。這意味著，我們現有的、價值數萬億美元的芯片制造基礎設施，不需要被拋棄。

通過這種技術，我們可以在同一塊晶圓上，一邊利用傳統的半導體邏輯電路處理數據，一邊利用新生成的超導區域進行量子運算。

還記得開頭那個震撼的數字嗎？

Shabani 教授指出，利用這種技術，可以在一個兩英寸的晶圓上制造2500 萬個約瑟夫森結（Josephson junctions）——這是超導量子計算的量子比特。

以前，這些組件動輒毫米級，笨重且難以集成；現在，它們可以像像素點一樣密集排列。

從“只能在實驗室里小心翼翼呵護的嬌貴儀器”，到“可以直接長在芯片上的量產組件”，量子計算的商業化進度條，可能因為這項研究被狠狠地拉快一大截。

正如 Shabani 所言：這可能會讓固態量子計算的時間表大幅縮短。

當經典計算的穩健遇上量子計算的狂野，芯片界的一場革命，或許才剛剛開始。

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