Con el rápido desarrollo de la tecnología de inteligencia artificial, la demanda del mercado de potencia informática está aumentando. Como piedra angular de la potencia informática, el retraso en la interacción de datos y los problemas de consumo de energía causados por los chips de memoria son cuellos de botella que restringen la mejora de la potencia informática. Se espera que el nuevo descubrimiento de los científicos chinos resuelva este dilema. Recientemente, el equipo de Zhou Peng-Liu Chunsen de la Universidad de Fudan logró un gran avance en la tecnología de almacenamiento cuántico no volátil de un solo electrón a temperatura ambiente. Este logro no solo rompe el límite físico de la observación estable de efectos cuánticos a temperaturas extremadamente bajas, sino que también alcanza el límite físico de "un solo electrón representa un bit de información" y reduce geométricamente el consumo de energía de almacenamiento.
Este resultado original de "cambiar de carril y adelantar" se publicó en la revista principal Science a las 2 am del 17 de julio, hora de Beijing. Science lo comentó: "Tiene amplias perspectivas y un alto potencial de influencia, y ha atraído mucha atención en los campos de la física del almacenamiento y la ingeniería de nanodispositivos"; "La introducción de un nuevo mecanismo teórico (la tijera de densidad de estados) hace posible la manipulación técnica de los estados cuánticos."
El profesor Zhou Peng dijo en una entrevista con China Business News que el equipo planea establecer formalmente una empresa de nueva creación en la segunda mitad de este año. El objetivo de la primera fase es completar la verificación de chips basada en la transformación de las líneas de producción de semiconductores existentes.
Utilizar la tecnología existente para lograr cambios de carril y adelantamientos.
Anteriormente, el equipo de Zhou Peng-Liu Chunsen desarrolló el dispositivo de memoria flash "Daybreak (PoX)" de 400 picosegundos más rápido del mundo a través de una comprensión e interpretación profundas de la primera ecuación de Maxwell, resolviendo el problema de la memoria no volátil y de alta velocidad desde la invención del transistor de puerta flotante en 1967. Resolvió el problema básico de ambas formas; y tecnología CMOS integrada para desarrollar el chip de memoria flash con todas las funciones de arquitectura híbrida "Changying (CY-01)", que fue evaluado como un "avance original" por Nature y seleccionado como uno de los "Diez principales avances en la ciencia china" en 2025.
"Breaking Dawn" significa la primera aparición del amanecer, y "Changying" significa sostener una espada en la mano. Cuando "Dawn" abre la velocidad de almacenamiento electrónico más rápida de la humanidad, ¿dónde está su límite de densidad? Como partícula elemental indivisible, los electrones son teóricamente el portador fundamental para construir la unidad de datos más pequeña: el almacenamiento de un solo electrón. Sin embargo, debido a que está profundamente involucrado en el comportamiento cuántico de las partículas elementales, la comunidad científica lo ha considerado durante mucho tiempo como un castillo en el aire que es "teóricamente factible pero inobservable en experimentos", y su aplicación práctica alguna vez se consideró fuera de alcance.
La última tecnología de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) requiere que se mantengan 200.000 electrones en el dispositivo para representar de forma independiente un bit de información, lo que limita la posibilidad de una alta densidad. Si el dispositivo que almacena carga se consideraba un "gran depósito", en la tecnología anterior era necesario llenar el depósito para saber si había agua en él, pero el depósito seguía goteando al mismo tiempo. Al cambiar la estructura del "depósito", el equipo de Zhou Peng-Liu Chunsen de la Universidad de Fudan puede utilizar "una gota de agua" para percibir el mundo "sin fugas". Esto se debe a que cuando la escala del dispositivo de almacenamiento de carga se acerque al límite físico, los efectos cuánticos en el mundo microscópico se amplificarán dramáticamente. En este punto, almacenar sólo "un" electrón es suficiente para cambiar significativamente el estado del dispositivo.
¿Qué es el "almacenamiento de un solo electrón"? Zhou Peng lo comparó con decir que en el pasado teníamos que llenar una "habitación" con 200.000 personas antes de poder sentir a "alguien"; Ahora bien, debido a que los dispositivos son extremadamente pequeños y sensibles, incluso si solo entra una persona (un electrón), el potencial general de la habitación cambiará drásticamente y se capturará con precisión.
El dispositivo de memoria flash de picosegundos "PoX" puede aumentar su velocidad de borrado y escritura a menos de 1 nanosegundo (400 picosegundos). Se trata de la tecnología de almacenamiento de carga de semiconductores más rápida del mundo hasta el momento. Foto cortesía de la Universidad de Fudan
Resuelva el problema de la "temperatura ambiente"
Por primera vez, el equipo observó claramente el comportamiento de almacenamiento no volátil de electrones individuales a temperatura ambiente (27°C). El equipo llevó esta tecnología a un ambiente a temperatura ambiente y resolvió el mayor cuello de botella en su industrialización. Este tipo de comportamiento cuantificado macroscópicamente observable siempre ha sido predeterminado en la comunidad científica para que solo ocurra en ambientes de temperaturas extremadamente bajas. Por ejemplo, el experimento clave de la investigación sobre "Túnel cuántico macroscópico y cuantificación de niveles de energía en circuitos" que ganó el Premio Nobel de Física en 2025 se completó a temperaturas extremadamente bajas (aproximadamente -272 °C) cercanas al cero absoluto.
El equipo no solo logró un salto en la ventana de almacenamiento cuántico, sino que también realizó innovaciones disruptivas en los conceptos básicos, proponiendo por primera vez la teoría de la "densidad de tijeras de estado". Liu Chunsen introdujo que al construir una estructura doble de Dirac, se puede introducir en el mundo microscópico un intervalo de "densidad de estado cero" que no puede acomodar electrones, logrando así el control de los estados cuánticos. Basándose en este nuevo "mecanismo de tijera", el equipo reveló por primera vez en el mundo un comportamiento anormal de almacenamiento cuántico sin precedentes: utilizar unas "tijeras cuánticas" invisibles en el espacio energético para "cortar" con precisión un estado cuántico específico para que desaparezca de la nada. Este logro no sólo crea un nuevo sistema teórico para el almacenamiento cuántico de un solo electrón, sino que también crea un mapa teórico crucial para la aplicación en ingeniería del almacenamiento cuántico.
En cuanto a la implementación de la industria, el mayor cuello de botella que enfrentan actualmente los centros de datos es la pérdida de consumo de energía durante el proceso de interacción de almacenamiento e informática (el consumo de energía de transferencia de datos suele ser varias veces mayor que el consumo de energía informática). Esta tecnología no sólo puede proporcionar matrices de almacenamiento de consumo de energía ultrabaja, sino también integrar unidades de almacenamiento directamente encima de las unidades informáticas a través de la tecnología de integración de back-end de semiconductores (BEOL), acortando la distancia de transmisión de información a cientos de nanómetros. Esta excelente característica de "integración de almacenamiento e informática" puede resolver los problemas de consumo de energía de los centros de potencia informática desde la fuente y potenciar la estrategia del país de "numerar en el este y calcular en el oeste".
Liu Chunsen, un joven investigador del Laboratorio Nacional Clave de Chips y Sistemas Integrados y de la Escuela de Circuitos Integrados e Innovación en Micronanoelectrónica de la Universidad de Fudan, y el profesor Zhou Peng son los autores correspondientes del artículo. Liu Chunsen y el estudiante de doctorado Xiang Yutong son los primeros autores del artículo. El trabajo de investigación ha sido financiado por el Programa Nacional Clave de I+D, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Programa de la Zona Especial de Investigación Básica de Shanghai y otros proyectos, así como el apoyo de la plataforma de investigación integrada del Ministerio de Educación.