99.9999%纯度：科学家为下一代量子芯片造出超纯硅

超纯硅和锗能否帮助量子计算机摆脱恼人的原子噪声？答案在此。

量子计算最大的障碍之一，既不是处理器，也不是软件——而是芯片内部单个原子发出的微小磁信号。

在基于硅和锗的量子技术中，这些材料的天然形态含有会产生原子级噪声的同位素，导致脆弱的量子比特丢失信息。

“多年来，量子超级计算的前景一直被物理世界的微观噪声所拖累，”美国能源部同位素研发与生产办公室（IRP）主任克里斯托弗·兰德斯表示。

如今，美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）和太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家们开发出了一种本土化方法，能生产超纯硅和锗前驱体材料，其中引起噪声的同位素含量低于百万分之一——比全球市售替代品干净100多倍。

他们的工艺还生产出纯度为99.9999%的硅-28，这一里程碑有助于量子比特更长久地保持量子态，同时强化美国未来量子技术的本土供应链。

兰德斯补充道：“我们实现了地球上从未有过的同位素纯度，亲手在美国本土交付了世界最稳定量子计算机的基石。这不只是渐进的一步，而是点燃下一次技术革命的火花。”

普通硅对量子计算机来说不够安静

与传统计算机不同，量子计算机用量子比特存储信息，而量子比特对周围环境极其敏感。哪怕是原子级的微小扰动，也会导致量子比特失去其脆弱的量子态，这一过程称为退相干。

一个令人意想不到的重要扰动源，来自天然存在的同位素。

自然界中的硅主要是硅-28，但也含有少量硅-29。同样，天然锗含有好几种同位素，包括锗-73。与更有用的同类不同，硅-29和锗-73具有核自旋——一种微小的磁性属性，就像散布在材料中无数的微型磁铁。

这些旋转的原子核不断产生微弱的磁涨落。单独看来，每个扰动几乎微不足道，但合起来它们就产生了足以干扰近邻量子比特的背景噪声。

多年来，研究人员已经知道，去除这些同位素能够极大改善量子硬件。例如，2014年的一项研究表明，用高度富集的硅-28制成的硅自旋量子比特，其相干时间远长于由天然硅制成的量子比特，这进一步证实了同位素纯化材料对量子计算的重要性。

然而，生产如此高度富集的材料在技术上仍然困难重重，美国一直依赖有限的本土浓缩能力和海外供应商。

与其重新设计量子处理器，能源部的实验室选择把重点放在改进制造处理器的原材料上。

从原子层面向上构建更纯净的材料

该项目由两家国家实验室分工完成，各自应对制造链条中的不同环节。

在橡树岭国家实验室，科学家使用了一种先进版本的电磁同位素分离（EMIS）技术，该技术能依据原子质量对其进行分选。尽管其基本概念可追溯到曼哈顿计划时期使用的电磁分离器，但现代系统已得到深度优化。

升级后的技术能在单次生产运行中分离多种同位素，同时实现超越冷战时期旧系统的浓缩性能。利用市售初始材料，橡树岭国家实验室几乎去除了所有的硅-29和锗-73，将其浓度压到百万分之一以下。

所得的硅-28纯度达到99.9999%，而锗产品中锗-73的含量低于百万分之一。这些富集材料随后被转交给太平洋西北国家实验室，那里的研究人员面临着另一个挑战。

高纯度同位素在转化为芯片制造所用的工业化学品时，非常容易再次受到污染。参与该研究的研究员、太平洋西北国家实验室首席研究员迈克·鲍威尔说：“富集硅的同位素稀释是个棘手的问题。”

为防止这种情况发生，太平洋西北国家实验室开发了新的化学转化和纯化系统，能够将富集硅和富集锗转化为超高纯度的硅烷（SiH₄）和锗烷（GeH₄）——半导体行业用来在先进芯片上沉积极薄硅层和锗层的原料气体，未来的量子器件也包括在内。

该实验室还对热扩散同位素分离（TDIS）进行了现代化改造，使得气体本身能被直接富集。这额外的一步，将常规加工过程中可能发生的同位素稀释风险降至最低。

由于硅烷和锗烷是危险气体，研究人员还建立了自动化控制系统，能持续监测数百个运行条件，有助于在整个生产过程中保持安全和极高的化学纯度。

这个系统的起点是同位素富集，终点是准备用于量子器件制造的半导体级前驱体材料。

超越材料的突破

除了生产更纯净的硅和锗，该项目还恢复了一项美国自1998年其历史性的二战时期电磁同位素分离器退役后所基本丧失的能力。

这条新的生产管线将橡树岭国家实验室的同位素富集技术与太平洋西北国家实验室的化学转化、纯化和气体直接富集技术相结合，为未来量子技术创造了一个半导体级材料的本土来源。

同样的富集方法还能生产其他与量子相关的同位素，包括用于多种量子计算架构的锗-70、锗-76和镱-171。

兰德斯说：“有了橡树岭国家实验室的这些能力，再加上太平洋西北国家实验室的互补能力，同位素研发与生产办公室就能提供量子研究所需形态、在同位素和化学纯度上均前所未见的硅、锗及其他同位素。”

不过，这一突破并不能在一夜之间扫除量子计算最大的障碍。研究人员仍需证明这些超纯材料能持续改善商用量子器件的性能，而将生产扩大到工业规模则需要持续的投资。

能源部表示，未来的工作将聚焦于简化制造过程、降低污染风险，并增加这些材料的供应——这些措施既能强化美国的量子计算供应链，也能强化其半导体供应链。

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