天津
中央驻津院所核工业理化工程研究院（以下简称核理化院）传来重大科研喜讯——近日，该院科研团队在稳定同位素富集与高纯硅制备领域取得关键性技术突破，首次成功实现丰度超过99.99%的硅-28同位素自主量产，产品关键指标达到国际先进水平。这一突破，标志着我国在构建自主可控、协同高效的稳定同位素产业格局方面迈出实质性步伐，为我国硅基量子计算核心材料的自主研制，以及先进制程半导体、高端导航、计量基准等前沿科技领域高质量发展夯实关键材料根基。
作为一种非金属元素，天然硅包含硅-28、硅-29和硅-30三种同位素。其中，天然丰度4.7%的硅-29具有原子核自旋特性，会对硅基量子计算产生干扰。要确保硅基量子计算的稳定性与运算精度，就必须把硅-29的干扰降到最低。丰度从92.2%提高至99.99%以上的硅-28，能有效消除硅基量子计算中的原子核自旋干扰，是制备硅基量子芯片的核心基础材料，被誉为“世界上最纯净的硅”。
记者采访中了解到，高丰度硅-28作为硅基量子计算的核心原材料，长期以来高度依赖进口，不仅采购价格高昂，供货也十分不稳定，掣肘国内硅基量子技术产业化发展。此次技术突破，彻底解决了我国硅基量子计算产业“无米之炊”的燃眉之急。
“天然硅中硅-28的丰度高低，直接决定了硅基量子计算的运算质量与稳定性。”核理化院稳定同位素技术研发中心相关负责人蔡伟形象地比喻说，“硅-28丰度达到99.99%（四个9）时，硅基量子计算相当于处在零干扰的超静谧运算环境，计算结果精准可靠；若丰度仅为99.9%（三个9）或是直接使用天然硅，则如同置身喧闹会场，硅基量子计算持续受到干扰，量子运算结果将失真、失效。可以说，硅-28丰度每提升‘一个9’，硅基量子芯片单次有效计算时间可提升成百上千倍。”
这项技术的突破来之不易。据介绍，数年前，核理化院已研制出丰度超99.5%的硅-28产品，但受限于当时的技术条件，产品纯度无法满足硅基量子计算严苛的应用标准。近年来，科研团队通过迭代升级专业设备与自动控制系统，接连攻克专用装备研制、系统设计与建设、超高精度丰度控制三大核心技术难题，最终成功实现公斤级、99.99%高丰度硅-28稳定量产。
“获取高丰度硅-28难度极大，就像是原子尺度上进行一场极其精密的外科手术。”该院科研人员解释道，“微观原子尺度极其微小，单颗硅原子尺寸仅为零点几纳米，直径不足人类头发丝的几十万分之一。科研团队需要在复杂的硅原子体系中，精准挑出硅-28，把会造成干扰的硅-29等杂质同位素逐一剔除，全程不能出一点差错。只要混进一丁点儿杂质，成品便无法用于硅基量子计算领域。”
记者走进核理化院津南院区实验室看到，洁净柜中整齐摆放着封装规范的不锈钢气瓶，内部储存着各类稳定同位素产品。这些产品在核医学成像、精准放疗、核安保溯源、环境追踪监测、基础物理研究等领域，均具备不可替代的战略价值。其中，高丰度硅-28同位素价值不菲，1克产品的价格是同等重量黄金的数倍。
“目前，我们已与相关大学、科研院所及企业开展深度对接，并向合作单位寄送样品开展性能测试，各项测试结果优异。”核理化院稳定同位素技术研发中心相关负责人颜明介绍，国产高丰度硅-28产品品质不低于同类进口产品，后续随着产能规模化释放，成本有望进一步下降，将大幅降低国内量子科技、高端半导体产业的研发成本，加速推动国产高端同位素材料的产业化应用。
始建于1964年的核理化院，隶属于中国核工业集团有限公司，是我国同位素分离技术研究和专用装备研制的重点科研机构。近年来，该院加快推动稳定同位素技术工程化迭代与产业化落地，已攻克同位素分离、纯化、转化等一系列国际尖端技术难题，先后实现钼、碲、镍、锌、硅、镱等12种元素、26种稳定同位素的自主规模化生产，逐步构建起从基础研究、技术攻关到产业转化的全链条创新体系，以高水平科技自立自强，助力国家战略性新兴产业高质量发展。
来源：天津日报
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