安徽
6月15日，中核集團旗下中國原子能工業有限公司所屬核工業理化工程研究院（簡稱“核理化院”）宣布，在量子信息新材料領域取得重大突破——經過四年研發，科研團隊成功實現豐度超過99.99%的硅-28同位素自主量產。
這項長期被國外封鎖的核心技術壁壘——高豐度同位素分離技術，被我國科研人員成功攻克。
一、為什么是硅-28？
很多人可能對"硅-28"這個名詞感到陌生，但它卻是決定硅基量子計算能否走向實用化的命門級材料。天然硅由三種同位素混合組成，其中硅-28約占92.2%，硅-29約占4.7%，其余為硅-30。
在傳統半導體時代，這點差異幾乎可以忽略不計，但在量子計算的微觀世界里，硅-29卻成了致命的"噪聲源"——它的原子核帶有1/2自旋，相當于晶體中埋藏了無數個隨機波動的微小磁體，會持續干擾量子比特的穩定狀態，導致量子信息快速退相干。
而硅-28的原子核自旋為零，不會產生磁矩干擾。當硅-28豐度提升至99.99%以上時，相當于為量子比特打造了一個近乎絕對安靜的"計算真空艙"，量子比特的相干時間可從天然硅中的微秒級躍升至毫秒甚至秒級，提升幅度超過上千倍。
這也是為什么業內將高豐度硅-28譽為"世界上最純凈的硅"，是硅基量子芯片不可或缺的核心材料。
二、從92.2%到99.99%，難在哪？
豐度從92.2%到99.99%，真正的難點在于“硅-28、硅-29、硅-30”三種同位素分離根本無法通過常規化學提純完成。
這三種硅同位素的化學性質完全一致，只能依靠原子間極其微小的質量差異進行物理分離。
硅-28與硅-29之間僅相差一個中子的質量，要將豐度從92.2%逐級提純到99.99%以上，需要成百上千級精密分離單元串聯運行，每一步都在挑戰物理分離的極限——離心、轉化、多級聯、純化、再結晶……任何一個環節的擾動都會讓豐度掉下來。
科研人員將這個過程形象地比喻為"用篩子分豆子"，但這把"篩子"的精度要求已經觸及物理工程的極限。
在此之前，全球穩定同位素制備技術壁壘極高，全球僅有極少數國家掌握規模化生產高豐度硅-28的能力，核心技術和產能牢牢掌握在歐洲、俄羅斯等少數機構手中。
而且這種材料不僅價格昂貴——每克市價約為黃金的三倍，更關鍵的是屬于戰略管制品類，高端品級長期對華限制出口。
國內量子科研團隊可以設計出精巧的器件結構，可以搭建先進的低溫測試平臺，但上游核心襯底材料握在別人手里，整個產業鏈就始終懸著斷供的達摩克利斯之劍。
三、不只是量子芯片
高豐度硅-28的應用遠不止于量子計算。
核理化院穩定同位素技術研發中心副總經理蔡偉介紹，高豐度硅-28的晶體結構更“規整”，電子量子隧穿效應更少，具備更優異的低熱噪聲、高導熱、高載流子遷移率等電學特性。
因此，高豐度硅-28在以下三個領域應用比較關鍵。
①高豐度硅-28在先進制程半導體制造中同樣能顯著提升器件熱導率和運行穩定性，在3納米以下先進節點具備重要應用潛力；
②在高端導航領域，它可以大幅提升原子鐘的計時精度，直接服務于北斗系統等國家關鍵基礎設施；
③在計量科學領域，高純硅-28也是重新定義千克質量基準的核心材料。
據核理化院副院長劉成業透露，目前高純硅-28的大規模量產在技術層面已沒有障礙，試驗線產能正在持續提升，能短時間內滿足國內需求。
核理化院團隊此前已先后攻克鉬、碲、鎳等12種元素共26種穩定同位素的工業化制備技術，放眼未來，核理化院還將面向核能與核醫療、航空航天、粒子物理、深空探測等領域的重大需求，開展系列穩定同位素產品的研發。
從被“卡脖子”到自主量產，99.99%這個數字，標記的不只是一項技術指標，更是我國在穩定同位素產業自主可控道路上邁出的實質性一步。量子時代的“基石”，我們已經穩穩握在了自己手中。
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