信息技术逼近物理极限时路在何方？量子力学给出的答案是单个电子。在室温下实现对单个电子的稳定控制与存储，长期以来被视为半导体领域的“圣杯”，但边缘电容效应与量子涨落之间的致命矛盾使得这一愿景长期停滞于理论推演。
北京时间今天（7月17日）凌晨，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周鹏-刘春森研究团队在《科学》（Science）发表重磅成果。
他们发明的“量子闪存”（Quantum Flash）技术成功构建出共面的漏极-沟道-源极“归壹”结构，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。
漏极-沟道-源极“归壹”结构
这不仅彻底打破了“单电子存储”无法实现的传统认知，开创了单电子量子存储的全新理论体系，更为AI时代算力革命奠定关键理论基础打破“不可能”。
常温下实现诺奖级物理现象
如果将人工智能比作一辆高速行驶的赛车，存储芯片就是它的“油箱”和“引擎”——既要在极短时间内供给算力所需数据（高速、低功耗），又必须让数据在断电后不丢失且能海量存储（大容量、非易失）。提升AI算力上限，必须突破传统存储器的速度与功耗极限。
去年4月，周鹏-刘春森团队于《自然》（Nature）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。
“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），是迄今为止世界上最快的半导体电荷存储技术
当人类最快的电子存储速度被“破晓”突破，存储器的密度极限又在哪里？团队将目光投向了电荷存储的理论极限——电子。作为不可分割的基本粒子，电子在理论上是构筑最小数据单元的终极载体，这也被称作“单电子存储”。然而，由于其深涉基本粒子的量子行为，科学界一度将其视为“理论上可行、实验中无法观测”的空中楼阁。
如果把存储器件看作一个“蓄水池”，电子就是池中的“一滴水”。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。上世纪末，科学家试图观测单电子存储时，就像试图感知“一滴水”在巨大水库中的波动。结果显示，单个电子仅贡献了数十毫伏的电压变化，且状态在不到5秒内消失。
面对困境，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，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。
漏极-沟道-源极“归壹”结构
实验显示，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》（Science）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。
该研究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”，也为面向人工通用智能（AGI）需求的高密度存储器研发提供了新的技术基础。
八年磨一剑
打通基础研究到产业化全链条
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，这也是他们发表在纳米技术领域国际期刊Nature Nanotechnology上的第一篇闪存技术相关成果。但该技术结构复杂，断电后数据仅能保存十秒左右。
此后团队不断迭代，发现Flash（闪存技术）本身也能快速存取；2024年前后，陆续攻克电荷极性、电场控制等细节问题。团队研制出的“破晓”器件半年后，将技术融入CMOS工艺，研发出“长缨（CY-01）”混合架构全功能闪存芯片，攻克了新型二维信息器件工程化的关键难题，证明与CMOS硅工艺兼容的原型芯片产业化可行。这一成果被Nature评价为“原创性突破”，入选2025年度“中国科学十大进展”。
封装后的二维-硅基混合架构闪存芯片（带PCB板）
在前期工作的积累以及一年多集中攻关后，团队如今研发出了“归壹”结构，突破了存储器的信息密度理论极限。在团队看来，成功源于始终追问根本科学问题——存储器的速度极限和密度极限分别是什么？“回到基础问题，路径反而清晰。”
刘春森
在此过程中，他们不但突破信息密度极限，还独创性提出“态密度剪刀”理论，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。这一发现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关键版图。
该器件实现了“一个电子对应一比特”，已达到量子理论极限。下一步，团队将着力推进该器件的工程化与大规模芯片集成，推动基础研究走向产业应用。
加速产业化进程
为AI算力系统提供新方案
人工智能的竞争，本质上是算力效率的竞争；而算力效率的瓶颈往往不在算力本身，而在数据搬运的速度与能耗。
二维闪存的战略价值，不仅在于单一技术指标的突破，更在于它为AI算力系统提供了一种“存储即计算”的全新可能——数据就地存放、近乎零延迟调用、断电不丢失。这将从根本上改变现有AI芯片“高速缓存+慢速硬盘”的分层架构逻辑，极大降低数据迁移带来的算力损耗与能源浪费，为中国AI产业构筑底层能效壁垒。
与硅工艺兼容的“归壹”单电子存储器件
此次突破意味着，未来手机、电脑、服务器有望搭载超高速、超大容量、断电不丢数据的存储芯片，支持本地运行更大参数AI模型，且功耗更低。随着存储性能提升，手机或AI助手的响应更快、上下文记忆更长，无需反复解释历史对话，能像真正智能体一样记住许久前的交流。当存储速度匹配计算速度，算力将不再被存储“拖后腿”。
目前，团队已系统性地打通了从底层材料、器件创新到高端芯片集成与应用的全链条：“破晓”实现存取速度突破，“归壹”解决密度极限，“长缨”完成了与现有CMOS硅工艺兼容的原型芯片验证。
接下来，他们即将加快产业化进程，计划在1到3年内实现产品落地——成立公司对接人工智能头部客户，引入战略合作伙伴，借助社会力量和政府支持，把原始创新转化为新质生产力。
目前，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。
“基础研究是整个科学体系的源头，是所有技术问题的总机关。”团队携“破晓”之势，挽“长缨”在手，将量子闪存技术“归壹”，正是为了回应AI时代对算力的极致需求。这一颠覆性突破，不仅标志着存储技术迈入量子时代，更有望以变革性的存储效能，为人类社会从数字生活到智能生产的方方面面带来深刻重塑。
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准聘副教授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。研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金人才项目、上海市基础研究特区计划等项目的资助，以及教育部创新平台的支持。
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