常溫超導(dǎo)有望復(fù)現(xiàn)，iPhone 算力能超過量子計(jì)算機(jī)？

2023 年 7 月 22 日，或許是一個(gè)將會(huì)被載入史冊(cè)的時(shí)間。如果你喜歡刷知乎，那么應(yīng)該知道我在說什么，在這一天的早上，韓國的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了兩篇關(guān)于常溫超導(dǎo)材料的論文，聲稱自己發(fā)現(xiàn)了常溫超導(dǎo)材料，該材料被命名為 LK-99。

圖源：維基百科

在短暫的平靜后，這則消息迅速引起了廣泛的關(guān)注，不過當(dāng)時(shí)大多數(shù)聲音都持質(zhì)疑態(tài)度。畢竟就在今年 3 月份，印度科學(xué)家蘭加 · 迪亞斯就曾經(jīng)宣布過自己的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體，而在后續(xù)的同行驗(yàn)證過程中，沒有第二個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)可以復(fù)現(xiàn)結(jié)果，隨后這篇論文也在《自然》期刊撤稿。

而蘭加 · 迪亞斯更是被人扒出存在多個(gè)學(xué)術(shù)造假行為，其論文的數(shù)據(jù)也存在重大問題，至此，基本上可以確定又是一次常溫超導(dǎo)學(xué)術(shù)騙局。類似的事情其實(shí)屢見不鮮，作為材料學(xué)的圣杯之一，常溫超導(dǎo)材料一直是各個(gè)材料研究所夢(mèng)寐以求的發(fā)現(xiàn)，只要有所發(fā)現(xiàn)，基本上就可以鎖定諾貝爾獎(jiǎng)，讓自己直接站上科研界的巔峰。

(資料圖)

因此，韓國團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)飽受質(zhì)疑就是一件很正常的事情，一方面發(fā)布論文的是兩位名不見經(jīng)傳的科學(xué)家，另一方面資助他們的公司看起來也相當(dāng)可疑，名字和業(yè)務(wù)范圍與超導(dǎo)材料也是一點(diǎn)都不搭邊，看起來就像是個(gè)皮包公司。

但是與蘭加 · 迪亞斯的論文不同，韓國團(tuán)隊(duì)發(fā)布的論文有著更詳細(xì)的測(cè)試數(shù)據(jù)和驗(yàn)證視頻，并且制備過程也在論文中公開，其過程之簡(jiǎn)單，以至于被一些懂行的網(wǎng)友戲稱為：" 一把螺絲一個(gè)榔頭敲出一臺(tái)高達(dá)，而在此之前，你很確定那里的材料只夠拼一部五菱宏光的 "。

從當(dāng)天晚上的知乎回答來看，已經(jīng)有大量的材料學(xué)博士、研究生被自己的導(dǎo)師、老板喊回實(shí)驗(yàn)室，連夜制備材料，看看能否復(fù)現(xiàn)論文中的超導(dǎo)現(xiàn)象。而在材料制備的數(shù)天之中，相關(guān)話題就一直高掛在知乎熱榜前三，可見其熱度之高。

室溫超導(dǎo)為何能夠引起如此廣泛的關(guān)注？LK-99 的復(fù)現(xiàn)結(jié)果又到底如何？接下來，就讓我們來展開說說

對(duì)于第四次工業(yè)革命會(huì)起源于何處，學(xué)術(shù)界也是眾說紛紜，從人工智能到可控核聚變?cè)俚浇裉斓闹鹘鞘覝爻瑢?dǎo)材料，背后都有不少的支持者。當(dāng)然，更多的人則是認(rèn)為只要其中一項(xiàng)技術(shù)獲得突破，那么第四次工業(yè)革命就一定會(huì)到來。

在此之前，人工智能被認(rèn)為是最具突破性進(jìn)展的領(lǐng)域，年初的 ChatGPT 也為這個(gè)說法增加了不少的可信度。誰能想到，正在大家為人工智能的進(jìn)步而興奮時(shí)，室溫超導(dǎo)卻橫空出世，瞬間吸引了所有人的目光，我們似乎瞬間就站到了第四次工業(yè)革命的分岔路上。

圖源：知乎

超導(dǎo)體的概念大家想必不會(huì)陌生，特指在特定情況下，內(nèi)部電阻會(huì)無限接近于 0 的材料。當(dāng)電阻幾乎不存在時(shí)會(huì)發(fā)生什么？很簡(jiǎn)單，意味著電量傳輸?shù)膿p耗幾乎不存在，那么電流通過導(dǎo)線時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生熱量。

在中學(xué)時(shí)代，或許不少人都做過這樣的物理實(shí)驗(yàn)，將一根細(xì)鐵絲放在一個(gè)通電裝置的正負(fù)極上，隨著電流加大，鐵絲逐漸發(fā)燙并放出紅光，最終在積熱超過限度后，鐵絲就會(huì)熔斷，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖源：B 站

如果將鐵絲換成超導(dǎo)體，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)不管如何加大電流，超導(dǎo)體本身卻依然保持原本的溫度，就像你手上旋轉(zhuǎn)著的電流旋鈕是假的一樣。雖然看似只是電阻為 0 這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的屬性，但是具體到實(shí)際應(yīng)用中卻會(huì)帶來翻天覆地的變化。

以電動(dòng)汽車為例，目前電動(dòng)汽車最大的問題就在于充電時(shí)間過長(zhǎng)，無法像燃油車一樣花幾分鐘加油就可以滿血出發(fā)，動(dòng)輒數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間使得電動(dòng)汽車難以滿足長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的行駛需求。

圖源：VEER

雖然可以通過加大充電線線徑，擴(kuò)大充電接口承載來實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，背后的成本、安全性等問題都是一個(gè)又一個(gè)難關(guān)。但是，如果可以使用超導(dǎo)材料來制作充電設(shè)施和設(shè)備，你會(huì)發(fā)現(xiàn)充電比加油還快，近乎無上限的功率可以短時(shí)間內(nèi)將電池完全充滿，電動(dòng)汽車最大的難題將迎刃而解。

同樣的，從手機(jī)到其他各種移動(dòng)設(shè)備，只要可以使用超導(dǎo)材料，那么充電的速度都將以秒為單位計(jì)算。而且，高性能的手機(jī)、電腦等設(shè)備體積將進(jìn)一步縮小，室溫超導(dǎo)體的到來，甚至讓我們有望實(shí)現(xiàn)超小體積的量子芯片。

著名分析師郭明錤就直言，如果 LK-99 室溫超導(dǎo)體被證實(shí)為真，那么未來的 iPhone 將會(huì)擁有超越當(dāng)下量子計(jì)算機(jī)的性能。此言一出，倒是引起了不少果粉的關(guān)注，實(shí)際上不僅僅是 iPhone，所有的移動(dòng)電子設(shè)備都會(huì)因室溫超導(dǎo)體材料而得到巨大的性能提升。

如今的超導(dǎo)體量子芯片系統(tǒng)，都需要借助超導(dǎo)體讓完成信號(hào)傳輸?shù)入A段，而常規(guī)的超導(dǎo)體必須在極低溫度下才能正常運(yùn)行，所以我們目前所看到的量子計(jì)算系統(tǒng)，往往都需要搭配一個(gè)龐大的冷卻系統(tǒng)，讓其中的超導(dǎo)體可以達(dá)到臨界溫度，同時(shí)也讓量子計(jì)算機(jī)一直無法小型化。

圖源：知乎

而室溫超導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，確實(shí)有機(jī)會(huì)讓我們將量子芯片小型化并部署到移動(dòng)設(shè)備中，讓手機(jī)這樣的設(shè)備也可以擁有量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力。不過別高興得太早，首先我并不看好量子芯片在手機(jī)等設(shè)備上的應(yīng)用，我們?nèi)缃竦囊苿?dòng)生態(tài)都是圍繞傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片所設(shè)計(jì)，而量子芯片的運(yùn)算邏輯與傳統(tǒng)芯片卻有著天壤之別。

如果說 ARM 和 x86 之間還可以通過編譯器轉(zhuǎn)換來互相兼容，而基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)的指令集和系統(tǒng)，卻幾乎沒有可能在量子芯片上正常運(yùn)行，目前所有的量子系統(tǒng)都限于限定范圍的運(yùn)算，比如 1 號(hào)量子芯片被設(shè)計(jì)來解決 A 問題，那么在面對(duì) B 問題時(shí)則會(huì)直接抓瞎。

現(xiàn)如今人類的量子計(jì)算機(jī)，除了受限于超導(dǎo)體材料的限制無法縮小體積外，更大的問題是量子芯片的通用性無法解決，在解決這個(gè)問題之前，想要將量子芯片應(yīng)用到消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)顯然是不可能的，也沒有意義的。

室溫超導(dǎo)體被譽(yù)為第四次工業(yè)革命的開端，其實(shí)更多是體現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域上，光是電力超低損耗傳輸就可以讓我們節(jié)省大量的能源損耗，并且更加靈活的調(diào)整全國電量分配、讓西北的清潔能源可以穿過大半個(gè)中國傳輸?shù)窖睾９I(yè)區(qū)域，顯著降低電力成本。

以上只是常溫超導(dǎo)的其中一個(gè)發(fā)力點(diǎn)，交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、數(shù)碼產(chǎn)品等，所有與電能有關(guān)的東西都將因此受益，進(jìn)而反饋到整個(gè)社會(huì)中，這也是常溫超導(dǎo)為何能夠如此廣泛關(guān)注的原因，因?yàn)樗褪侨祟愰_啟高效電力時(shí)代的鑰匙。

自 1911 年卡末林 · 昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)金屬汞可以在 -268.95 ℃下呈現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)以來，人類就一直在致力于尋找能夠在更高的溫度下保持超導(dǎo)狀態(tài)的材料。

目前能夠量產(chǎn)的超導(dǎo)體材料，至少也需要在液氮的冷卻下才能保持超導(dǎo)狀態(tài)，至于還處于實(shí)驗(yàn)室階段的材料中，超導(dǎo)臨界溫度最高是 260K，也就是零下 13 度。聽起來也不低，但是對(duì)比動(dòng)輒領(lǐng)先一兩百度的超導(dǎo)體材料來說，已經(jīng)算得上是 " 超高溫超導(dǎo)材料 "。

但是，對(duì)比 LK-99，過去的所有超導(dǎo)體材料都將成為垃圾，如果韓國團(tuán)隊(duì)給出的數(shù)據(jù)是真實(shí)的，那么 LK-99 的臨界溫度將高達(dá) 127 攝氏度。注意，并不是材料到達(dá) 127 攝氏度才會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象，而是材料溫度超過 127 度后才會(huì)失去超導(dǎo)效應(yīng)，這意味著在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中，這種材料都不需要額外的維持設(shè)備就可以保持超導(dǎo)狀態(tài)。

換言之，LK-99 是一種制備簡(jiǎn)單、材料成本低廉、超導(dǎo)臨界溫度極高的全新超導(dǎo)材料，如何形容它的夸張度呢？一句話：材料學(xué)專家做夢(mèng)都不敢這么想。正是因?yàn)檫@個(gè)材料的性質(zhì)過于離譜，以至于大多數(shù)網(wǎng)友都對(duì)此表示質(zhì)疑，認(rèn)為這是一次學(xué)術(shù)造假行為。

對(duì)于 LK-99 是否真的是室溫超導(dǎo)體，目前其實(shí)并沒有定論，國內(nèi)多個(gè)研究所和大學(xué)都在組織相關(guān)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證。其中，華中科技大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在制備的 LK-99 材料中，成功驗(yàn)證到了明顯的抗磁性并出現(xiàn)邁斯鈉效應(yīng)，該效應(yīng)被認(rèn)為是超導(dǎo)體的一個(gè)重要證明，但是并不能直接斷定 LK-99 就是超導(dǎo)體，因?yàn)橹苽涞牟牧线^小無法測(cè)試電阻，所以依然無法做出定論。

值得注意的是，華中科技大學(xué)制備的材料經(jīng)過檢測(cè)所獲得的部分?jǐn)?shù)據(jù)，與 LK-99 論文所提供的數(shù)據(jù)基本一致，至少從這點(diǎn)上看，韓國團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)造假概率明顯下降。同時(shí)，中美的權(quán)威科研機(jī)構(gòu)也在理論上為 LK-99 站臺(tái)，從超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果來看，LK-99 確實(shí)是有可能存在室溫超導(dǎo)狀態(tài)的一種全新材料。

圖源：推特

對(duì)于材料學(xué)的研究，并非小雷的專業(yè)，但是從相關(guān)專業(yè)人士的回答來看，材料制備會(huì)受到眾多因素影響，即使只是微小的不同都可能導(dǎo)致材料的性質(zhì)完全改變，所以想要完全確認(rèn)或證偽 LK-99 的超導(dǎo)性質(zhì)，需要更多的時(shí)間去制備材料才行。

換言之，短時(shí)間內(nèi)都無法給出確切的定論，不過從目前的情況來看，即使 LK-99 并非室溫超導(dǎo)材料，其也將會(huì)是一種全新的強(qiáng)抗磁性材料，而且因?yàn)橹苽湓线^程簡(jiǎn)單、材料成本低廉，相較于目前最強(qiáng)的抗磁材料熱解石墨有著更廣泛的應(yīng)用空間，而且也為材料學(xué)家們提供了一個(gè)新的超導(dǎo)材料研究方向。

可以預(yù)見，LK-99 在接下來的一段時(shí)間里，仍將牽動(dòng)無數(shù)人的心，并且決定人類能否進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。