摘要：量子计算机的算力突破，正被一根看不见的“线”捆住手脚。越强大的量子芯片，越需要在接近绝对零度（-273℃）的极寒中运行，可控制它的电子设备却必须待在室温环境——这就像给深海潜艇装了一根延伸到海面的控制线，每增加一个量子比特，连线带来的噪声、延迟和热量就会指数级

量子计算机的算力突破，正被一根看不见的“线”捆住手脚。越强大的量子芯片，越需要在接近绝对零度（-273℃）的极寒中运行，可控制它的电子设备却必须待在室温环境——这就像给深海潜艇装了一根延伸到海面的控制线，每增加一个量子比特，连线带来的噪声、延迟和热量就会指数级增长。如今，中科大团队用“光笔”在极寒中直写电路、用“电橡皮”擦除重绘的技术，不仅剪断了这根“温差脐带”，更在极端环境信息处理领域，撕开了一道通往自由的口子。

一、被“连线”困住的量子梦：算力狂奔背后的致命瓶颈

当IBM宣布其量子处理器突破4000量子比特时，没人追问一个关键问题：这些比特如何与外界“对话”？答案藏在量子实验室的低温恒温器里——那个像巨型保温瓶的设备，内部是接近绝对零度的极寒真空，量子芯片安静地躺在底部；而控制它的数百根连线，如同密密麻麻的“脐带”，从恒温器顶部延伸到室温环境的电子柜。

这不是简单的物理连接，而是“温差鸿沟”下的无奈妥协。量子比特对环境极其敏感，哪怕百万分之一摄氏度的温度波动、微弱的电磁干扰，都会让量子态瞬间“坍缩”。但室温设备运行时产生的热量、电子噪声，会顺着连线渗透进极寒环境。为了隔绝干扰，连线必须做得极细、极长，这又导致信号延迟高达微秒级——对量子计算而言，这相当于“慢动作播放”。

行业将这种困境称为“布线瓶颈”：当量子比特数量从百级迈向万级，连线数量会突破数千根，恒温器内的“线团”不仅占满空间，还会让制冷功率飙升。有测算显示，若要控制10000个量子比特，现有布线方案可能需要消耗数千瓦制冷功率，相当于一台家用空调的功耗——这与量子计算“低功耗”的初衷背道而驰。更致命的是，噪声会让量子相干时间缩短，即便比特数量增加，有效算力反而可能下降。

传统解决方案始终在“修补”：加粗连线降低电阻、用超导材料减少热损耗、优化室温电路降噪……但这些都是“头痛医头”。直到中科大团队的论文在《自然通讯》发表，人们才意识到：真正的破局，是让电路“自己长”在极寒环境里。

二、极寒中的“导电画布”：材料选择藏着突破的密码

廖昭亮团队的突破口，藏在两种氧化物的界面上——LaAlO₃（镧铝氧）与SrTiO₃（钛酸锶）。这两种看似普通的陶瓷材料，在室温下接触时并无特别，但当温度降到-273℃附近，界面处会突然“觉醒”：一层厚度仅几纳米的“关联二维电子气”悄然形成，像一张隐形的导电薄膜铺满界面。

这不是人工“镀”上去的导电层，而是材料自身在极端条件下的“自然馈赠”。就像水在0℃结冰是分子排列的必然，LaAlO₃/SrTiO₃界面在极低温下形成导电通道，是电子强关联效应的结果——电子在晶格中“抱团”运动，自发形成稳定的导电路径。这种“天生导电”的特性，让界面成为理想的“画布”：无需提前制备导电层，环境本身就是“画纸”。

更妙的是，这层“电子气”的导电性可以被精准操控。团队发现，在SrTiO₃衬底上施加短暂的电压脉冲，就能像“开关”一样控制局部导电通道的“通”与“断”——电压如同“橡皮擦”，按下时电子气被驱散，区域变为绝缘；撤去后，电子气重新聚集，导电性恢复。而当用紫外或红外激光照射已“关闭”的区域时，光子能量会打破电子束缚，让导电通道局部“复活”——激光如同“光笔”，在绝缘区域画出导电线条。

这种“光写电擦”的组合，构建了一套完整的“极寒绘图系统”：先用电场将整片“画布”擦成绝缘态（相当于“黑板擦干净”），再用激光“画”出导线和器件图案；画错了？补个电压脉冲就能擦掉重画。整个过程无需光刻胶、无需掩膜版，甚至不用将芯片从极寒环境中取出——所有操作“原位”完成，就像在北极帐篷里，直接在冰面上用激光笔绘制电路图。

三、10亿倍开关比与万分之一伏电压：技术参数里的“降维打击”

一项技术的价值，最终要靠数据说话。中科大团队在论文中公布的参数，每一个都指向对传统低温器件的“降维打击”：

开关比接近10⁹——这意味着“开”状态的电流是“关”状态的10亿倍。打个比方：如果“关”状态电流相当于一滴水的流量，“开”状态就是10亿滴水汇成的河流。如此悬殊的差异，让电路信号几乎不会被干扰，相当于给量子芯片装上了“无杂音麦克风”。

最低工作电压仅0.5mV——这是什么概念？一节干电池的电压是1.5V，0.5mV相当于其万分之三；手机锂电池电压3.7V，0.5mV是其7400分之一。极低的电压意味着几乎不产生额外热量，完美适配极寒环境的“零热扰”需求。

无需光刻胶与掩膜——传统芯片制造中，光刻胶涂覆、曝光、显影、刻蚀等步骤占生产成本的40%以上，且光刻胶在极低温下会变脆、失效。这项技术直接“无介质直写”，不仅简化流程，还避免了化学污染，堪称“绿色制造”。

可逆擦写次数超100次——实验室测试显示，同一片“画布”可反复擦写超过100次，导电性能衰减不到5%。这意味着研发人员无需每次重新制备芯片，直接在现有芯片上修改电路，研发周期可能从“月级”压缩到“天级”。

这些参数不是孤立的，而是共同指向一个目标：让量子芯片在极寒环境中“自给自足”。当控制电路不再依赖室温连线，而是“生长”在量子芯片周围，噪声、延迟、热量问题迎刃而解。就像给深海潜艇装上了“内置操控台”，不再需要从海面拉控制线——这不是优化，而是范式革命。

四、从实验室到产业：这场突破能走多远？

技术突破的意义，从来不只停留在论文里。中科大团队的极低温直写技术，正在打开三个未来窗口：

量子计算机的“瘦身革命”。现有量子计算机的低温恒温器，体积堪比家用冰箱，其中大半空间被连线占据。若用直写技术在量子芯片周围原位绘制控制电路，连线数量可减少90%以上，恒温器体积可能缩小到行李箱大小——这不是简单的“迷你化”，而是让量子计算机从“实验室设备”向“桌面设备”迈进的关键一步。

极端环境设备的“大脑升级”。深空探测、极地科考、核聚变装置等场景，都需要在极端温度、强辐射环境下运行电子设备。传统芯片在-200℃以下会“罢工”，而这项技术基于极寒材料，天生适应极端环境。未来，火星车的控制芯片、核聚变反应堆的传感器，或许都能用“光笔”在极端环境中原位制造。

可重构芯片的“平民化”。芯片研发中，“流片”成本高达数十万元，一次设计失误就意味着前功尽弃。而可擦写的直写电路，让研发人员能像“搭积木”一样修改电路逻辑——今天测试加法器，明天改乘法器，无需重新流片。这可能让小型实验室、高校团队也能负担起芯片研发，加速低温电子器件的创新迭代。

当然，从实验室到产业化还有距离。目前技术还停留在几微米线宽的原型器件，距离量子芯片需要的纳米级精度还有差距；LaAlO₃/SrTiO₃材料的大规模制备成本也需降低。但正如光刻技术从微米级到纳米级用了数十年，极低温直写技术的起点，已经站在了“解决有无”的关键节点上。

极寒中的“信息画笔”，画出技术浪漫与产业未来

当激光在-273℃的“导电画布”上画出第一条导线，当电压脉冲轻轻擦去误差，这不仅是技术的突破，更是人类在极端环境中“驯服”信息的浪漫尝试。传统制造总在“征服”自然——用高温融化材料、用强酸刻蚀图案；而中科大团队的技术，更像与自然“对话”：利用材料在极寒中的固有属性，引导它“生长”出我们需要的电路。

这种“顺势而为”的智慧，或许比技术本身更珍贵。量子计算的终极目标，是解决经典计算机无法处理的难题——从密码破解到药物研发，从气候模拟到新材料设计。而极低温直写技术，就像给这场征程装上了“防滑链”，让量子计算机在通往实用化的道路上，走得更稳、更快。

我们或许不用等太久，就能看到这样的场景：一个比微波炉还小的量子计算机，安静地坐在实验室桌上，没有密密麻麻的连线，只有极寒恒温器里，那片用“光笔”绘制的电路，正以10亿倍开关比的清晰信号，计算着人类的未来。

来源：科学学学学