中国量产99.99%硅-28，量子芯片迎来关键材料突破

一块看不见、摸不着的“纯硅”，可能正在改变量子计算和高端芯片的材料基础。6月15日，中核集团宣布，中国首次实现丰度超过99.99%的硅-28同位素自主量产。

这项突破来自中核集团核工业理化工程研究院。此前，核理化院已经完成钼、碲、镍等12种元素、26种稳定同位素的生产，稳定同位素分离技术也在从实验室不断走向工程化和产业化。

很多人会疑惑：硅到处都是，为什么还要专门提纯硅-28？

自然界里的硅，主要藏在石英和各种硅酸盐矿物中。天然硅由三种稳定同位素组成，其中硅-28约占92.2%，硅-29约占4.7%，硅-30约占3.1%。它们的化学性质几乎一样，但原子核的结构并不相同。

硅-28有14个质子和14个中子，核自旋为0，基本不会给周围环境带来额外磁场干扰。硅-29多了一个中子，核自旋为1/2，会产生微弱磁场。对普通手机、电脑来说，这点差异几乎可以忽略；放到量子芯片里，却可能直接影响计算稳定性。

硅基量子计算通常把电子自旋状态当作信息载体：自旋向上和向下，分别对应不同的量子状态。问题是，电子非常“敏感”，周围哪怕出现很轻微的磁场扰动，都可能让量子状态发生变化。

天然硅中约4.7%的硅-29，就像有人不断晃动量子比特所在的桌子。科学家用“相干时间”来衡量量子信息能稳定保存多久。时间越长，量子比特能完成的计算步骤越多；时间太短，信息还没算完就可能被噪声打乱。

把硅-29尽可能从材料中分离出去，正是高纯硅-28的核心价值。硅-28比例提升后，核自旋噪声显著减少，量子比特拥有更安静的工作环境，量子计算系统的稳定性和可靠性也有望随之提升。

硅-30虽然不是主要的磁噪声来源，但降低其含量，也能改善材料的一致性和热学性能。相关研究显示，纯硅-28纳米线的导热效率在特定条件下可比天然硅纳米线高150%，这对高端芯片散热同样有吸引力。

芯片制程越先进，晶体管越密集，散热和材料缺陷带来的问题就越突出。用高丰度硅-28制造器件，有望降低工作温度、延长载流子寿命，为先进制程半导体提供新的材料选择。

它的用途还不止量子芯片。硅-28晶格更加均匀，可用于高精度惯性导航器件，减少微观应力和热扰动造成的零点漂移，提升卫星导航、MEMS惯性测量设备的精度。

在精密计量领域，超高纯硅-28还能被制成接近完美的晶体硅球，用于精确测量阿伏伽德罗常数，推动质量计量基准进一步精准化。地质年代学、基础物理、核医学、先进医疗和空间探测，也都可能从高纯稳定同位素中受益。

这次量产的意义，还在于“自主”。同位素分离不是把普通硅简单洗得更干净，而是要从原子质量差异中完成筛选，技术门槛高、工艺复杂，全球真正具备高丰度硅-28规模化生产能力的国家并不多，俄罗斯等少数国家长期占据先发位置，西方国家也在加快商业化布局。

过去，我国部分高端稳定同位素产品依赖进口。一旦供应受限，影响的就不只是某一种材料，而可能牵动量子计算、先进芯片、精密仪器等一整条产业链。如今国内实现99.99%以上硅-28自主量产，至少为稳定供给和后续扩大产能打下了基础。

这项成果也落在《核技术应用产业高质量发展三年行动方案（2024—2026年）》收官阶段，稳定同位素分离技术工程化、产业化的目标，正在从规划变成产品。

当然，量产并不等于所有应用立刻落地。丰度继续提高、产能进一步扩大、成本降下来，还需要时间和产业链配合。但关键材料能不能自己做，往往决定着前沿技术能走多远——真正的科技竞争，拼的不只是“能不能造”，还要看关键时刻有没有自己的材料。