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常溫超導有望復現,iPhone算力能超過量子計算機?

2023年7月22日,或許是一個將會被載入史冊的時間。如果你喜歡刷知乎,那么應該知道我在說什么,在這一天的早上,韓國的一個研究團隊發布了兩篇關于常溫超導材料的論文,聲稱自己發現了常溫超導材料,該材料被命名為LK-99。


(資料圖片僅供參考)

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注,不過當時大多數聲音都持質疑態度。畢竟就在今年3月份,印度科學家蘭加·迪亞斯就曾經宣布過自己的團隊發現了室溫超導體,而在后續的同行驗證過程中,沒有第二個實驗團隊可以復現結果,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學術造假行為,其論文的數據也存在重大問題,至此,基本上可以確定又是一次常溫超導學術騙局。類似的事情其實屢見不鮮,作為材料學的圣杯之一,常溫超導材料一直是各個材料研究所夢寐以求的發現,只要有所發現,基本上就可以鎖定諾貝爾獎,讓自己直接站上科研界的巔峰。

因此,韓國團隊的發現飽受質疑就是一件很正常的事情,一方面發布論文的是兩位名不見經傳的科學家,另一方面資助他們的公司看起來也相當可疑,名字和業務范圍與超導材料也是一點都不搭邊,看起來就像是個皮包公司。

但是與蘭加·迪亞斯的論文不同,韓國團隊發布的論文有著更詳細的測試數據和驗證視頻,并且制備過程也在論文中公開,其過程之簡單,以至于被一些懂行的網友戲稱為:“一把螺絲一個榔頭敲出一臺高達,而在此之前,你很確定那里的材料只夠拼一部五菱宏光的”。

從當天晚上的知乎回答來看,已經有大量的材料學博士、研究生被自己的導師、老板喊回實驗室,連夜制備材料,看看能否復現論文中的超導現象。而在材料制備的數天之中,相關話題就一直高掛在知乎熱榜前三,可見其熱度之高。

室溫超導為何能夠引起如此廣泛的關注?LK-99的復現結果又到底如何?接下來,就讓我們來展開說說

室溫超導,第四次工業革命的開端

對于第四次工業革命會起源于何處,學術界也是眾說紛紜,從人工智能到可控核聚變再到今天的主角室溫超導材料,背后都有不少的支持者。當然,更多的人則是認為只要其中一項技術獲得突破,那么第四次工業革命就一定會到來。

在此之前,人工智能被認為是最具突破性進展的領域,年初的ChatGPT也為這個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步而興奮時,室溫超導卻橫空出世,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革命的分岔路上。

圖源:知乎

超導體的概念大家想必不會陌生,特指在特定情況下,內部電阻會無限接近于0的材料。當電阻幾乎不存在時會發生什么?很簡單,意味著電量傳輸的損耗幾乎不存在,那么電流通過導線時幾乎不會產生熱量。

在中學時代,或許不少人都做過這樣的物理實驗,將一根細鐵絲放在一個通電裝置的正負極上,隨著電流加大,鐵絲逐漸發燙并放出紅光,最終在積熱超過限度后,鐵絲就會熔斷,實驗結束。

圖源:B站

如果將鐵絲換成超導體,那么你會發現不管如何加大電流,超導體本身卻依然保持原本的溫度,就像你手上旋轉著的電流旋鈕是假的一樣。雖然看似只是電阻為0這樣一個簡單的屬性,但是具體到實際應用中卻會帶來翻天覆地的變化。

以電動汽車為例,目前電動汽車最大的問題就在于充電時間過長,無法像燃油車一樣花幾分鐘加油就可以滿血出發,動輒數小時的充電時間使得電動汽車難以滿足長時間、長距離的行駛需求。

圖源:VEER

雖然可以通過加大充電線線徑,擴大充電接口承載來實現更快的充電速度,背后的成本、安全性等問題都是一個又一個難關。但是,如果可以使用超導材料來制作充電設施和設備,你會發現充電比加油還快,近乎無上限的功率可以短時間內將電池完全充滿,電動汽車最大的難題將迎刃而解。

同樣的,從手機到其他各種移動設備,只要可以使用超導材料,那么充電的速度都將以秒為單位計算。而且,高性能的手機、電腦等設備體積將進一步縮小,室溫超導體的到來,甚至讓我們有望實現超小體積的量子芯片。

著名分析師郭明錤就直言,如果LK-99室溫超導體被證實為真,那么未來的iPhone將會擁有超越當下量子計算機的性能。此言一出,倒是引起了不少果粉的關注,實際上不僅僅是iPhone,所有的移動電子設備都會因室溫超導體材料而得到巨大的性能提升。

如今的超導體量子芯片系統,都需要借助超導體讓完成信號傳輸等階段,而常規的超導體必須在極低溫度下才能正常運行,所以我們目前所看到的量子計算系統,往往都需要搭配一個龐大的冷卻系統,讓其中的超導體可以達到臨界溫度,同時也讓量子計算機一直無法小型化。

圖源:知乎

而室溫超導體材料的出現,確實有機會讓我們將量子芯片小型化并部署到移動設備中,讓手機這樣的設備也可以擁有量子計算機的強大算力。不過別高興得太早,首先我并不看好量子芯片在手機等設備上的應用,我們如今的移動生態都是圍繞傳統半導體芯片所設計,而量子芯片的運算邏輯與傳統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換來互相兼容,而基于傳統半導體芯片設計的指令集和系統,卻幾乎沒有可能在量子芯片上正常運行,目前所有的量子系統都限于限定范圍的運算,比如1號量子芯片被設計來解決A問題,那么在面對B問題時則會直接抓瞎。

現如今人類的量子計算機,除了受限于超導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,在解決這個問題之前,想要將量子芯片應用到消費級市場顯然是不可能的,也沒有意義的。

室溫超導體被譽為第四次工業革命的開端,其實更多是體現在工業領域上,光是電力超低損耗傳輸就可以讓我們節省大量的能源損耗,并且更加靈活的調整全國電量分配、讓西北的清潔能源可以穿過大半個中國傳輸到沿海工業區域,顯著降低電力成本。

以上只是常溫超導的其中一個發力點,交通運輸、工業生產、醫療、數碼產品等,所有與電能有關的東西都將因此受益,進而反饋到整個社會中,這也是常溫超導為何能夠如此廣泛關注的原因,因為它就是人類開啟高效電力時代的鑰匙。

LK-99,真的是常溫超導體嗎?

自1911年卡末林·昂內斯發現金屬汞可以在-268.95℃下呈現出超導狀態以來,人類就一直在致力于尋找能夠在更高的溫度下保持超導狀態的材料。

圖源:維基百科

目前能夠量產的超導體材料,至少也需要在液氮的冷卻下才能保持超導狀態,至于還處于實驗室階段的材料中,超導臨界溫度最高是260K,也就是零下13度。聽起來也不低,但是對比動輒領先一兩百度的超導體材料來說,已經算得上是“超高溫超導材料”。

但是,對比LK-99,過去的所有超導體材料都將成為垃圾,如果韓國團隊給出的數據是真實的,那么LK-99的臨界溫度將高達127攝氏度。注意,并不是材料到達127攝氏度才會產生超導現象,而是材料溫度超過127度后才會失去超導效應,這意味著在大多數應用環境中,這種材料都不需要額外的維持設備就可以保持超導狀態。

換言之,LK-99是一種制備簡單、材料成本低廉、超導臨界溫度極高的全新超導材料,如何形容它的夸張度呢?一句話:材料學專家做夢都不敢這么想。正是因為這個材料的性質過于離譜,以至于大多數網友都對此表示質疑,認為這是一次學術造假行為。

對于LK-99是否真的是室溫超導體,目前其實并沒有定論,國內多個研究所和大學都在組織相關團隊進行復現驗證。其中,華中科技大學的一個團隊在制備的LK-99材料中,成功驗證到了明顯的抗磁性并出現邁斯鈉效應,該效應被認為是超導體的一個重要證明,但是并不能直接斷定LK-99就是超導體,因為制備的材料過小無法測試電阻,所以依然無法做出定論。

值得注意的是,華中科技大學制備的材料經過檢測所獲得的部分數據,與LK-99論文所提供的數據基本一致,至少從這點上看,韓國團隊的學術造假概率明顯下降。同時,中美的權威科研機構也在理論上為LK-99站臺,從超級計算機模擬的結果來看,LK-99確實是有可能存在室溫超導狀態的一種全新材料。

圖源:推特

對于材料學的研究,并非小雷的專業,但是從相關專業人士的回答來看,材料制備會受到眾多因素影響,即使只是微小的不同都可能導致材料的性質完全改變,所以想要完全確認或證偽LK-99的超導性質,需要更多的時間去制備材料才行。

換言之,短時間內都無法給出確切的定論,不過從目前的情況來看,即使LK-99并非室溫超導材料,其也將會是一種全新的強抗磁性材料,而且因為制備原料過程簡單、材料成本低廉,相較于目前最強的抗磁材料熱解石墨有著更廣泛的應用空間,而且也為材料學家們提供了一個新的超導材料研究方向。

可以預見,LK-99在接下來的一段時間里,仍將牽動無數人的心,并且決定人類能否進入一個新的時代。

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