超导3D打印如何推动量子计算的发展

纳米级制造：逐个原子构建未来

随着科学家对物质世界的掌控力日益增强，我们对制造工艺的期望也越来越高。从在熔炉中粗略锻造金属，到如今我们能够控制单个原子来制造先进的传感器、晶体管等等。

这种控制水平不断提升的另一个结果是，我们有可能从根本上改变材料的性质。如今，我们已经知道如何将一层薄薄的硅变成计算机芯片，从而让它拥有“思考”的能力。

其他改变也是可能的，尤其是赋予材料自然界中不会自发产生的特性。其中一种方法是在纳米尺度上改变它们的结构。

德国马克斯普朗克研究所、德国新兴电子技术研究所和奥地利维也纳大学的科学家发现，他们可以通过改变材料的三维结构、构建复杂的纳米结构，将材料变成超导体。

他们在《先进功能材料》上发表了他们的发现¹， 在标题之下 ”可重构三维超导纳米结构“。

为什么3D纳米结构是突破2D技术限制的关键

许多纳米级系统被设计成简单的二维薄片，以便科学家能够精确地操纵它们。

然而，扩展到三维提供了克服基本限制和实现新功能的机会。

例如，由于半导体微型化的限制，二维器件不再遵循摩尔定律。为了实现更高的器件密度和互连性，业界转向了三维堆叠CMOS。

同样，在光学领域，3D超材料对光的特性提供了新的控制，例如宽带偏振或负折射率，每种特性都有其广泛的潜在应用。

现在导体和超导体也出现了同样的情况，其构建过程类似于 3D 纳米打印机，不是在平面上构建结构，而是在 3D 上构建结构。

三维超导结构中的量子效应

量子粒子物理理论早已预测三维结构的行为将与二维结构截然不同。对于超导体（一种没有任何电阻的材料）而言尤其如此，人们预计三维结构能够实现对超导涡旋的局部控制。

这种“磁涡旋”的发现获得了2003年诺贝尔物理学奖，这是解释超导原理的关键突破。

来源: 诺贝尔经济学奖

超导材料的三维结构也应该能够创造出全新的量子现象（比如“超导莫比乌斯带中的节点状态“）研究人员可以利用它来开发实际应用。

科学家如何打造超导体3D纳米打印机

研究人员采用了 3D 聚焦电子束诱导沉积 (3D FEBID) 技术，这是一种已知的构建 3D 纳米结构的方法，迄今为止尚未用于超导材料。

他们构建了一个金字塔形结构，其中有4根纳米细丝相互支撑。它由超导碳化钨（WC）制成。

来源: 先进功能材料

随后他们证实，该结构在 5°K（-268°C / -450°F）左右表现出急剧的超导转变。

他们随后测量发现，涡旋可以沿着该结构以三维运动传播，并实现信息和电压的长距离传输。三维结构也控制着涡旋的形状。

来源: 先进功能材料

利用磁场实现可重构超导

通过改变磁场的方向，由于涡流的形状，超导特性基本上可以随意打开或关闭。

来源: 先进功能材料

这使得可以创建完全超导（SC）3D结构、仅一半超导或完全具有正常电阻（N）的结构。

来源: 先进功能材料

在结构内创建不同超导状态的可能性变得更加有趣，因为这些三维结构可以串联构建并连接在一起，使用称为 约瑟夫森薄弱环节.

“我们发现，只需在磁场中旋转结构，就可以打开和关闭三维纳米结构不同部分的超导状态。

这样，我们就能够实现“可重构”的超导设备！“。

克莱尔·唐纳利 – Lise Meitner MPI-CPfS 小组组长

这为构建由各个子组件组成的复杂超导组件（例如纳米悬索桥）开辟了道路。

来源: 先进功能材料

3D超导体如何彻底改变传感器和量子芯片

虽然这令人印象深刻，但一开始可能不太清楚这种纳米级超导材料 3D 打印技术如何用于实际应用。

首先，人们已经知道约瑟夫森弱连接可以用来制造超灵敏的磁场传感器。此前，这种系统需要整合到二维薄膜的设计中并预先确定。而这种可重构系统，三维结构带来的一个固有优势是可以实现更精确、更可控的测量。

另一个受益的领域是基于超导的计算，包括节能的神经形态计算和量子计算。3D几何结构带来的更高互联性和复杂性，将有助于为这些系统创建更复杂、更强大的计算芯片。

最终，这将构成多端三维连接和可重构弱连接互连阵列的基石。这些技术将彻底改变量子计算机的制造方式，超越目前的二维系统。由于硬件本身可以重构，量子计算机也应该更加灵活。

投资超导解决方案

美国超导公司：投资现实世界的超导技术

AMSC 是一家为电网、船舶和风能提供能源解决方案的公司。一般来说，系统耗电量越大或体积越大，就越需要超导技术来避免过热。

尽管 ASMC 名为超导系统，但它不仅提供超导系统，还提供风力涡轮机的齿轮传动系统等。

该公司正受益于多重增长动力，包括电气化和数字化趋势（包括人工智能数据中心）、美国制造业产能回流，以及英语国家海军为应对日益增长的地缘政治风险而进行的现代化改造。

来源: 美国超导体公司

在电源领域，AMSC 的订单稳步增长。推动这一增长的因素包括半导体工厂希望免受电网波动的影响，帮助电网应对可再生能源的间歇性，以及工业场所的电力供应和控制。

来源: 美国超导体公司

AMSC 在风力涡轮机领域主要活跃于电气控制系统 (ECS) 业务。过去，电气控制系统 (ECS) 曾是该公司 2 兆瓦风力涡轮机业务的强项，但其业绩已逐渐下滑。AMSC 的目标是凭借新的 3 兆瓦涡轮机设计实现反弹，并特别关注印度市场。

来源: 美国超导体公司

对于军舰，ASMC 提供“AMSC 高温超导磁雷对抗系统”，该系统可以改变舰船的磁场特征，保护舰船免受水雷攻击。该系统已售给美国、加拿大和英国海军，迄今为止订单价值已达 75 万美元。

总体而言，ASMC 最擅长在当今可行的利基应用中利用超导技术，同时可能已准备好在未来部署进一步的进步。

投资者还应注意，该股票过去曾经历过极端波动，并应相应地计算风险。

最新动态 美国超导体公司 (美国超导公司) 股票新闻和动态

参考研究：

^{1. 姜胜，徐勇，王荣。 et al.结构复杂的相工程使得耐氢铝合金成为可能。 自然641，358-364（2025）。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}