重大突破！我国攻克“量子芯片”关键材料技术

来源：环球时报

【环球时报报道 记者 樊巍】6月15日，中核集团旗下中国原子能工业有限公司所属核工业理化工程研究院（以下简称“核理化院”）正式公布在量子信息新材料领域取得重大突破，经过四年的研发，该院科研团队实现丰度超99.99%的硅-28自主量产，这标志着一项此前长期被国外封锁的核心技术壁垒——高丰度同位素分离技术被成功攻克。核理化院副院长刘成业告诉《环球时报》记者：“对于国家‘十五五’规划布局而言，高丰度硅-28自主量产将为量子计算芯片、先进制程半导体等前沿领域提供关键的材料支撑，避免核心环节受制于人。”

量子技术产业化发展，高纯硅-28先行

在核理化院的一间会议室中，《环球时报》记者注意到，两幅挂在墙上的中科院院士寄语格外显眼。在寄语中，两位从事高端材料研究的院士不约而同地提到量子科学，并对核理化院在这一前沿领域的作用提出希冀。核理化院稳定同位素技术研发中心副总经理蔡伟告诉《环球时报》记者，“两位院士都希望我们能加快量子信息新材料的研发和产业化，主要就是指高丰度硅-28同位素。”

量子是部分物理量（如能量、角动量等）在微观尺度下呈现的最小不可分割单位。量子虽小，但“潜能无限”，其自带的量子叠加、量子纠缠、不可克隆等特性，通过合理方式加以应用，便能创造出足以重塑世界的量子科技。当前它可让算力狂飙、实现指数级飞跃的量子计算、实现数据安全传输无法窃取的量子通信，还有能把测量精准度大幅提升、打破传统感知极限的量子精密测量，都是科技强国争相布局的重点领域。

其中量子计算机不仅具有加速运算的功能，而且可以解决某些在传统计算机上难解的问题，可以说，某些计算领域量子计算的算力会指数级超越电子计算。然而正如电子计算机的运行依托于传统的芯片技术，量子计算机的强大算力也建立在“量子芯片”的基础上。而超高丰度硅-28就是全球公认的制造硅基量子计算芯片的关键原材料。

“量子计算机以量子比特为基本运算单元，而硅材料的特性特别适合用于实现量子比特的存储和操作。这当中，超高丰度硅-28被认为是较为理想且纯净的量子计算材料。”蔡伟介绍称，从自然界中提取的硅包含硅-28、硅-29和硅-30三种稳定的同位素。其中，硅-29约占硅的4.68%，其原子核携带非零核自旋，会产生噪声对电子的量子比特自旋造成干扰。丰度超99.99%的高纯硅-28几乎无核自旋，能够大幅提升量子比特的相干性和操控精度，从而为硅基量子计算机研发提供关键材料支撑。

除了应用于面向未来的硅基量子芯片，高丰度硅-28的特性也使得其可以用于先进半导体领域，给更高制程芯片技术带来颠覆性的变化。蔡伟进一步介绍称，高丰度的硅-28与天然硅的化学性质相同，物理性质有细微区别但十分关键。高丰度硅-28的晶体结构更“规整”，电子的量子隧穿效应更少，具备更优异的低热噪声、高导热、高载流子迁移率的电学特性。

蔡伟称:“基于高丰度硅-28制备的半导体器件，能够显著提升器件热导率和运行稳定性，在高端芯片制造领域具备广阔应用潜力。国内行业专家曾提出，如果将高丰度硅-28用作先进半导体材料，其所带来的芯片性能提升相当于改进了芯片的制程工艺。”

核理化院稳定同位素首席专家谢全新则以一种通俗的方式向《环球时报》记者介绍了高丰度硅-28当前的主要应用场景。他表示，如果把普通硅比作“混合大米”，高丰度硅-28就是从中精挑出的单一品种大米，日常吃饭用混合米就行，只有精密实验、特殊用途才需要极致提纯的单一品种。因此，高丰度硅-28当前阶段主要应用场景还是集中于量子计算、半导体器件研发、精密计量等前沿科技领域。

或将重构全球稳定同位素产业格局

以高丰度硅-28为代表的稳定同位素属于高端材料，其制备技术被少数国家垄断，欧洲掌握着全球主要的稳定同位素研发和生产。此前，对于高丰度硅-28这种战略材料，我国也高度依赖进口。

“高丰度硅-28在我国及全球需求量为公斤级，主要集中在量子领域的研发阶段。”谢全新以“远比黄金更金贵”来形容高丰度硅-28的价值，“高丰度硅-28属于高端材料，产品附加值较高，目前市面上一克高丰度硅-28的价格是一克黄金的3倍。”

此次核理化院成功实现将硅-28丰度从天然的92.2%提升至99.99%以上，标志着我国攻克了长期被国外封锁的核心技术壁垒——高丰度同位素分离技术及相关技术产品指标已经达到世界先进水平。

“以高丰度硅-28同位素量产为突破，我们将从供需两端重构全球稳定同位素产业格局。”刘成业介绍称，中国加入供给体系，有望推动产品价格下降，使更多科研机构和中小企业受益。在需求端方面，我国多种稳定同位素自主供应能力将激发国内量子科技、先进半导体等下游应用加速发展，实现战略性新兴产业的自主可控。

随着先进半导体技术的不断发展，后续高丰度硅-28的需求量预计在吨级。刘成业表示，目前核理化院实现高纯硅-28的大规模量产在技术层面已没有障碍。核理化院试验线的硅-28同位素产能正在持续提升，能短时间内满足国内需求。随着后续部分应用场景持续开发，核理化院可适时提升生产能力，预期能满足国内绝大部分的市场需求。

更多“短板”正被补齐

在核理化院的一条走廊上，展示着一张当前稳定同位素产品及应用的示意图。《环球时报》记者看到，包括氙、锌、氪、锗、钼、镍、钨等10余种元素的30余种稳定同位素产品在集成电路、核工业、医学、精密测量等领域发挥着关键作用。当中，核理化院已经“攻克”的稳定同位素被标识为蓝色，处于研发中，正在被“攻克”的稳定同位素则被标识为灰色。随着高纯硅-28实现自主量产，这一关键材料“由黯向蓝”。

“稳定同位素是指某些元素中不发生或极不易发生放射性衰变的同位素，其应用是核技术应用的重要组成部分，在核能、核医疗、量子信息、航天航空、基础研究等诸多领域具有不可替代的作用。”核理化院院长助理韩莉果向《环球时报》记者介绍称，例如在核医学成像领域，氙-129是实现肺部超极化检测的关键原材料，可大幅提升肺部检测成像效果。在基础物理领域，锗-76、钼-100、氙-136可用于无中微子双贝塔衰变实验研究，高丰度硅-28还可用于阿伏伽德罗常数测定等前沿研究。此外，锗-72在先进集成电路应用领域已实现规模化应用，正扩大国产供应比例。

“长期以来，全球仅极少数国家具备稳定同位素规模化生产能力。此前，我国稳定同位素高端产品长期依赖进口，对相关产业发展和关键领域安全造成影响，制约了我国高端装备制造、核医学诊断、前沿科学研究的自主发展。这也是迫使我们在这一领域持续发力的原因。”韩莉果称。

据了解，近年来，我国在稳定同位素领域取得了硼-10、碳-13、锗-72、镍-64、钼-100、碲-130、镱-176等一系列突破。到目前为止，核理化院已经成功研发了10余种元素近30种稳定同位素产品。但韩莉果认为，当前我国还需增加稳定同位素的整体自主供应数量。“未来，我们仍将全力开展稳定同位素研发并拓展量产能力，这对保障我国关键领域产业链供应链安全、推动高端科学研究与产业升级、提升我国在相关领域的自主可控能力具有重大战略意义。”