丰度99.99%，中国关键技术突破，牢牢握住量子芯片自主权

丰度99.99%！中国科学家实现关键技术突破，未来将牢牢握住量子计算自主权。

近日，中核集团核工业理化工程研究院宣布，我国科学家取得了稳定同位素富集与高纯硅制备领域的关键技术突破，首次自主量产了丰度超过99.99%的硅-28同位素。这意味着，未来的量子计算芯片的自主可控方面，我国又占领了一座关键高地！

（我国科学家制备的硅-28稳定同位素产品）

看起来，这里的专业名词很多，你可能不理解。但看到“量子”和“芯片”，就知道这项技术代表了未来的科技发展方向。

其实，这项技术不难理解，咱们用最通俗的语言就能让你知道，这次突破有多么关键。

我们知道，芯片的本质，是一块高纯硅上刻蚀的数以亿计的晶体管。这些晶体管通过开和关的方式形成信号，完成设备交给的任务，因此包括电脑、手机在内的传统计算机世界都是二进制的。

而量子计算完全不同，可以依托量子叠加、纠缠特性，同时承载多种状态。举个例子，2的一亿次方和3的一亿次方，完全不可同日而语，更何况量子在叠加态下可能同时包含的状态远不止3种。这意味着量子计算机可以远超过传统的超级计算机，进行海量复杂运算，极大地突破人类计算极限。

（高丰度硅-28可以用于制造量子芯片）

核工业理化工程研究院稳定同位素技术研发中心副总经理蔡伟，给我们举了两个例子。

比如预报天气的时候，我们需要结合地面观测数据、卫星观测数据，然后利用多种模型进行大量推演，才可能判断天气变化。这个时候利用量子计算，就会轻松很多。

还有生物制药方面，其分子结构普遍都非常复杂，对传统计算机来说压力巨大。利用量子计算的方式，可以更快地给出理想的分子模型，促进药物研发的加速，直接造福人类。

因此，在“十五五”规划中，我国已经将量子科技列为未来产业布局的重点。

（量子计算是我国的重点发展方向）

量子计算虽然好，但也有其自身的缺点，其中一个，就是量子态过于脆弱，容易被外界干扰，比如温度波动、电磁噪声等，都有可能导致“退相干”。通俗地说，就是量子信息丢失，导致计算出错。目前的量子计算，都需要在接近绝对零度的环境下运行，根本原因也是防止量子比特的叠加态和纠缠态被干扰。

而我们今天提到的硅丰度，就是另一个干扰因素。

这，就要从化学元素的同位素说起了。

我们知道，化学元素周期表是以原子为单位编制的。原子分为原子核和核外电子两部分，原子核内又分为质子和中子，而质子数就是决定这个粒子是哪种原子的因素。

（原子核内部包含质子和中子）

两个粒子只要质子数相同，那就是同一种元素。但除了质子数相同之外，还可能出现中子数不同的情况，这就叫同一种元素的多种同位素。同位素之间化学性质基本相同，物理性质则有所不同。

以我们今天提到的硅为例，在自然界有3种稳定同位素，也就是不会发生放射性衰变的同位素，分别是硅-28、硅-29和硅-30。

其中，硅-28是最常见的同位素，原子核里有14个质子和14个中子。一种同位素占所有同位素总数的比例，叫做丰度，硅-28的丰度达到了92.2%。硅-29的中子要多一个，其自然界丰度为4.7%。硅-30则又多了一个中子，丰度为3.1%。

（硅片）

而硅-29，就是量子计算中的“捣乱分子”。

质子、中子这样的基本粒子，有一个属性，叫自旋。自旋数可以分为整数自旋（比如0,1,2……）和半整数自旋（1/2,3/2……）。而质子和中子，自旋数都是1/2。

所以对硅-28来说，质子数和中子数相等，整体的自旋数也是整数，这是我们想要的状态。对硅-29来说，多出的一个中子，就会导致原子的自旋数变成了半整数。这些自旋数为半整数的硅-29就像是无数的微观磁铁，产生核自旋噪声，不断“打扰”量子比特，严重缩短相干时间，不利于进行复杂计算。

所以，我们的科学家才会集中攻关，去除硅-29这种“杂质”，提高硅-28的丰度。

这事听起来简单，实则做起来极难。这不是说要从无数硅原子里一点点把杂质挑出去那么简单粗暴，这种方法并非完全无法实现，但从工作量上讲，根本行不通。蔡伟介绍，我国科学家通过核领域的特有方法，才能够将硅-28同位素“拢出来”，实现了每1万个硅原子仅有1个不是硅-28的目标。

蔡伟指出，如果算上此前的技术迭代和升级，这条路我们差不多走了整整20年。经过这么多年的努力，中国科学家成功将硅-28的丰度从92%提高到了99.99%。

（稳定同位素分离中央控制室）

我们经常听说，半导体级的硅，可以达到11个9，也就是99.999999999，航天、军工领域更是可以高达13个9。但那个是纯度，也就是所有的同位素都包含的情况。而我们这个，叫丰度，达到99.99%就足够降低硅-29的干扰。

更重要的是，这项技术已经不再仅仅停留于实验室层面，而是实现了公斤级量产。至此，我们算是基本解决了硅-29导致量子计算芯片退相干的难题，并将这项技术牢牢掌握在了自己的手中。

长期以来，高丰度硅-28的生产技术，都掌握在美国、欧洲和俄罗斯的手中，产量有限不说，而且价格高昂。在此之前，我国始终依赖进口，如今通过自主量产直接打破垄断，实现了供应链安全。

（研究人员在进行稳定同位素产品丰度检测）

当然，本次突破还远远不是终点。毕竟西方国家起步较早，相关技术仍然处于领先地位。我们实现从0到1的突破固然可喜，但接下来还有从1到2等更长的路要走。

据介绍除了硅-28之外，核理化院项目团队还成功实现了钼、碲、镍、镱等12种元素、26种稳定同位素的生产。接下来的工作，将分为化学形态转化和扩大产能两方面入手。蔡伟推测，未来5到10年内，相关技术有望迎来明确的产业化应用。量子计算的手持终端，或许离我们已经不远了。#中国“纯硅”技术突破有何利好#