量子計算被認為是下一代科技革命的引擎。硅基量子芯片則是最有可能推動量子計算規模化應用的技術之一。作為硅的穩定同位素，硅-28被譽為“世界上最純凈的硅”，是比鉆石還純凈的晶體，是研制硅基量子芯片不可或缺的核心材料。

中核集團核工業理化工程研究院昨天宣布，我國科學家在穩定同位素富集與高純硅制備領域取得關鍵性突破，首次成功實現豐度超過99.99%的硅-28同位素自主量產，產品關鍵指標達到國際先進水平。

科研團隊介紹，這項科研突破，將為我國硅基量子計算芯片的自主研制，以及先進制程半導體、精確導航、計量基準等前沿科技領域高質量發展提供堅實支撐。那么，豐度超過99.99%的硅-28同位素為何會對硅基量子芯片如此重要？實現這項突破的難度有多大？

△硅-28穩定同位素產品圖片

要了解這項科研突破，首先要回答一個問題，什么是量子計算。核工業理化工程研究院穩定同位素技術研發中心副總經理蔡偉介紹，我們日常使用的電腦、手機依靠經典邏輯計算，基本單元只有0和1兩種狀態，而量子計算依托量子疊加、糾纏特性，量子比特可同時承載多種狀態，能并行處理海量復雜運算，專攻傳統計算機難以攻克的難題。

蔡偉：也就是說，每個點位上所存儲的信息和計算量跟常規邏輯計算相比較有指數級上升，特別適合大量并行計算。什么時候可能會需要并行計算？比如說預報天氣，需要地面的觀測數據、衛星的觀測數據等，去推斷一個地區接下來天氣會怎么演變，這里面所用到的模型和參數變量非常多。在生物制藥研發領域，生物新藥的結構非常復雜，用量子計算可以比較好地給出一些理想分子模型，快速推動藥物研發。

科研人員介紹，當下，量子計算處于多條技術路線協同推進的過程中，包括超導、硅基量子點、光量子、離子阱等。其中，由于硅基量子點路線在后續進行量子芯片生產時所使用的制造工藝和目前代際半導體芯片的制造工藝基本一致，所以被認為將在未來大規模發展量子計算時具有突出優勢。這就說到此次科研突破的關鍵——為什么高純硅對硅基量子芯片如此重要？蔡偉解釋，其原因就在于硅-28這種硅的穩定同位素的獨特屬性。

△穩定同位素產品豐度檢測

蔡偉：半導體領域已經在大規模使用單晶硅，但是哪怕拿到單晶的硅單質，它里面的硅-28、硅-29、硅-30的含量恒定不變。如果沒有進行同位素分離，它一直都是由三種天然硅同位素組成，硅-28的豐度是92.2%，硅-29是4.7%，硅-30是3.1%。硅基量子點這個路線，在進行量子計算的過程中，實際上是在測量自由電子的量子比特位，硅-28原子核沒有自旋，而硅-29因為原子核有自旋，在測量的時候，原子核也帶自旋，電子也帶自旋，它倆之間會形成干擾，直接影響人類對量子比特位操控和檢測的時間，如果時間太短，量子計算無以為繼。按照相關專家提出的要求，最好把硅-29全部去掉。

簡單而言，如果把硅-29定義為“雜質”，“雜質”多了，量子計算就會失敗。而此次，中國科學家直接把硅-28的豐度，從自然狀態下的92%左右提升到99.99%，并且實現公斤級量產。蔡偉說，想要在原子尺度完成這項工作，其難度可想而知。

蔡偉：相當于1萬個硅原子放到面前，里面有百分之四點幾的硅-29，百分之三點幾的硅-30，我們的工作是把它們全部摘出去，最后1萬個里面僅有一個不是硅-28。現在能操控單個原子的工具有掃描隧道顯微鏡，但如果用那種方式搬的話，就像1萬顆黃豆里面混了幾百顆黑豆，用筷子一個一個夾走，非常難。但我們用的是核領域特有方法，把硅-28同位素給攏出來了，這得益于技術的逐步迭代和升級。

二十年的不懈努力，換來如今在高純硅制備領域的里程碑式突破。那么，這項關鍵突破將為哪些領域帶來機遇？又會如何影響你我呢？

△穩定同位素分離中央控制室

蔡偉說，這項科研成果猶如一顆石子投向湖面，將激起層層漣漪，推動我國硅基量子計算芯片的自主研制，以及先進制程半導體、高端導航、計量基準等前沿科技領域高質量發展。

其實，不止硅-28，近年來，核理化院項目團隊攻克穩定同位素分離、純化、轉化等一系列國際尖端技術難題，先后實現了鉬、碲、鎳、鋅、硅、鐿等12種元素、26種穩定同位素的生產。蔡偉表示，正值《核技術應用產業高質量發展三年行動方案（2024—2026年）》的收官之年，此次突破標志著我國在構建自主可控、協同高效的穩定同位素產業格局方面邁出實質性步伐，有力推動了我國核技術應用產業從“點狀突破”向“鏈式發展”的躍升。

蔡偉：我們還需要做兩方面的科研工作。第一，需要把化學形態進行轉化，便于下游客戶，不管是科研單位還是產業化應用單位去使用；第二，還要想辦法提升產量，降低成本。量子計算真正要落地，涉及芯片制造、操作系統的構建，還有應用方面的每一個環節都需要取得長足進步，才能夠形成產業鏈，應該在未來5至10年，會看到非常明確的產業化應用。構想未來，我們手持的個人計算終端可能會有兩個，一個就是手機，另一個可能就是量子計算的手持終端，讓量子計算改變人類的生活。