当物理学发展至量子层面，人类存储技术的最小载体在哪里？一个电子，或许就是答案。

复旦大学周鹏-刘春森团队首次在室温环境（27℃）下清晰观测到单电子的非易失性存储行为，并成功打造出具有全球最大非易失量子存储窗口的器件。该器件仅需注入单个电子，存储窗口便可达0.5伏特，跨过商业化应用的门槛，达到了“一电子、一比特”电荷信息存储的量子理论极限。

北京时间7月17日凌晨2点，相关成果在线发表于国际顶级学术期刊《科学》主刊。“原先需要20多万个电子才能代表1比特信息，现在只用1个，功耗降到原来的几万分之一。”论文通讯作者、复旦大学集成电路与微纳电子创新学院执行院长周鹏说。

室温下的“量子奇迹”，助力突破AI时代算力瓶颈

AI时代，算力的真正瓶颈不在处理器，而在存储。“数据交互的延时和功耗太大。”周鹏告诉文汇报记者，现有存储技术面临一个结构性矛盾：DRAM存储器速度快，但断电后数据易失；Flash存储器容量大、非易失，但速度太慢。目前，市场上没有存储技术能同时满足AI需要的“快、大容量、低功耗、非易失”四大条件。

单电子存储的概念早在上世纪末就被提出，但长期被视为“理论上可行、实验中无法观测”。1997年，美国科学家在实验室实现了单电子存储，但单个电子仅贡献55毫伏的电压变化，基本被噪声淹没，且电荷在不到5秒即消失。此后近30年，无人突破，直到二维材料的出现。

周鹏-刘春森团队从量子力学基本原理出发，发明了“量子闪存”（Quantum Flash）技术。团队利用二维半导体原子级厚度的天然优势，将电子“囚禁”在极小空间内。空间越受限，电子能量不确定性越强，量子效应越显著。团队构建独创的“归壹”结构，将寄生电容占比压到3%以下，堵住了单电子的能量泄露通道。

“过去观测量子行为需要在接近绝对零度（约-272℃）的极低温环境下完成。我们首次在室温下实现了稳定、清晰的单电子量子存储观测。”论文第一作者之一、复旦大学博士生向昱桐介绍。

周鹏解释称，这是因为团队选择了一条全新的路线，这也意味着我国存储行业无需在原有路线上追赶，而有了“换道超车”的新可能。

刘春森（右）与向昱桐（左）在实验室。

无形的“量子剪刀”，可以精准“裁剪”量子

单电子存储天然具有极高的稳定性。由于“库仑阻塞效应”，一个电子进入存储单元后会永久改变电势，阻止其他电子进入，也阻止当前电子跑出。“稳定性比传统存储更高，而制造成本低于现有技术。”周鹏介绍。

这意味着未来的手机、电脑等可以在本地低功耗运行AI大模型，AI可以“随时待命”而不需要退出释放内存。此外，该技术也让存算一体架构成为可能，可大幅降低数据中心之间的传输延时与功耗——现有计算系统中，存储和计算的数据交互功耗最高可达计算本身功耗的10倍。

团队独创性地提出了“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。这把无形的“量子剪刀”能在能量空间中将特定的量子态精准“裁剪”使其凭空消失。

“审稿人评价这是‘全新的物理发现’。”论文通讯作者、第一作者、复旦大学青年研究员刘春森说。《科学》杂志对此给予高度评价：“前景广阔、潜在高影响力”“使得量子态的工程化操控成为可能”。

向昱桐展示“归壹”结构模型。

从“破晓”到“归壹”，产业化未来期待市场检验

团队没有止步于论文。“不能只是我们自说自话，还是想经过市场的检验。”向昱桐说。他明年博士毕业，已决定全职加入团队下半年即将孵化的初创公司，更好促进科研成果转化和校企合作。

团队计划先研发验证芯片，证明技术在现有工艺节点下的颠覆性性能，再引入产业资本推进。目前，团队正与国内头部存储企业开展合作洽谈。

这项成果是周鹏-刘春森团队存储技术版图的一块重要拼图。此前，团队已研制出世界最快400皮秒的“破晓”器件，解决了“高速与非易失无法兼得”的基础性难题；并研发出“长缨”混合架构全功能闪存芯片，入选2025年度“中国科学十大进展”。

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。