从不可能到现实，研究人员在锗中实现超导性，量子技术迎来新突破

景点排名 2025年11月06日 20:02 2 aa

前言

现代文明很多建立在“半导体”之上，从手机到电脑，再到汽车，核心都是芯片。

芯片的材料，比如硅（Si）和锗（Ge），它们的本质是“电阻”，人类通过控制电阻，实现了“计算”，但未来是“量子计算”。

量子计算的核心，需要的是“超导”，然而半导体和超导体，就像“水”和“火”，在物理上是“死对头”。几十年来，想把这两者捏到一起，一直是全球科技界的“天花板”。

但就在最近，来自澳大利亚昆士兰大学和美国纽约大学的科学家们，把这个“天花板”捅破了。

锗是一种和硅齐名的IV族半导体材料，它是我们信息产业的“地基”，但它有一个“原罪”：它永远、永远不可能实现超导。

超导是材料在特定低温下，电阻变为零的“神迹”。电流在里面跑，完全没有损耗，这是量子计算机最依赖的特性。而锗作为一个半导体，它的“天职”就是制造阻碍，让电流“可控”。

让锗实现超导，就好像让一块石头开花，这在过去被认为是违反物理规律的。科学家们宁愿去寻找各种奇怪的合金和陶瓷，也没人指望过锗，但昆士兰大学和纽约大学的团队，偏不信邪。

他们没有去找新材料，而是决定“改造”这个旧材料。他们用的方法，在半导体行业很常见，叫“掺杂”。

这个过程就像“炼蛊”，他们使用一种叫“分子束外延”的技术，这好比一把“原子枪”，把“镓”原子，当做“药引”，强行“钉”进了锗的晶格里。

当“药引”的浓度足够高时，奇迹发生了。高浓度的镓原子，在锗的内部“野蛮”地挤压，迫使锗的晶格发生了轻微变形。这种“变形”，在材料内部“挤”出了一条全新的“高速公路”。

在这条“高速公路”上，电子（电流）终于可以“配对”狂奔，克服了电阻，实现了“零损耗”。

如果故事只到这里，那这只是又一篇发在顶级期刊上的“学术论文”，这次突破的真正“恐怖”之处在于它与我们现有的半导体制造工艺完全兼容。

这意味着我们不需要为了这个新技术，再去花几千亿美元建一种全新的、陌生的工厂，完全可以利用现有的晶圆代工厂（比如台积电、英特尔的生产线）；

用我们已经玩了几十年的“外延技术”，在标准的晶圆上，把这种“超导锗”像“打印”电路一样批量生产出来。

这一下就把“量子计算”从神坛上的“天价奢侈品”，拉到了“工业化量产”的门槛前。

量子计算机为什么难造？核心之一是“互连”，量子比特（Qubit）就像一个个“超级大脑”，但它们必须被连接起来协同工作。这种连接，要求极高，必须是超导的，而且要能大规模阵列化。

过去，科学家们用的是极其昂贵的特殊材料和复杂工艺，像“搭积木”一样，成本高，良品率低，而且规模上不去。

现在，超导锗的出现，等于提供了一条“高速公路”，可以用最成熟的半导体技术，直接“长”出高密度的超导连接线，这就像从“人工作坊”一步跨越到了“流水线生产”。

这不仅是量子计算机，还包括那些需要超高灵敏度的传感器、低温微波前端、射频电子设备，都等于拿到了“万能钥匙”。

这次突破，不是“发现”了一个新材料，而是“驯服”了一个旧材料。科学家们用“掺杂”的魔术，强行让“半导体”和“超导体”这对“死对头”联姻，解决了量子技术“卡脖子”的互连难题。

这最大的意义，是让我们能用“昨天”的工具（半导体工厂），去制造“明天”的机器（量子计算机），这可能就是那块撬动量子革命的“垫脚石”。

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