我国首次实现硅基量子计算核心材料“公斤级、高丰度”量产

近日，中央驻津院所核工业理化工程研究院（以下简称核理化院）发布重磅科研成果，国内首次实现丰度99.99%以上硅-28同位素公斤级稳定量产，产品核心指标对标国际一流水准。该成果一举打破海外长期技术与供货垄断，填补我国超高纯硅同位素规模化制备产业空白，为硅基量子芯片、先进制程半导体、计量基准、高精度导航等前沿赛道筑牢自主可控材料底座，恰逢《核技术应用产业高质量发展三年行动方案（2024—2026年）》收官节点，推动国内稳定同位素产业从单点技术突破迈向全链条产业化布局。

硅基量子计算是国内量子信息产业重点落地路线，而高丰度硅-28是不可替代的基底材料。长期以来，高纯度硅-28产能集中于海外厂商，国内科研机构、量子企业采购渠道受限、单价居高不下，1克硅-28价值数倍于同等重量黄金，高昂成本与不稳定供应链严重延缓国内硅基量子芯片流片、多比特操控等产业化进程，行业长期面临“有设计、无原料”的发展桎梏。本次公斤级量产落地，彻底化解产业“无米之炊”困境。

据了解，天然硅由硅-28、硅-29、硅-30三种同位素混合构成，其中硅-28天然丰度仅92.2%，硅-29丰度4.7%。硅-29原子核自带自旋特性，在量子比特运行过程中会持续产生自旋噪声，干扰量子相干时间，直接造成运算失真、计算失效。

核理化院稳定同位素技术研发中心负责人蔡伟做过直观类比：硅-28丰度达到99.99%四个9标准，量子芯片相当于处于无干扰静谧环境，量子相干时长大幅提升；若仅99.9%三个9或是直接使用天然硅，海量硅-29杂质会持续产生干扰，运算可靠性大幅下滑。行业数据显示，硅-28纯度每提升一个数量级，硅基量子芯片单次有效运算时长可提升数百至数千倍，高丰度提纯是实现规模化、高稳定硅量子比特的前置硬性条件，硅-28也因此被业内称作“世界上最纯净的硅”。

除量子计算核心用途外，超高纯硅-28同样支撑先进半导体器件研发、国家计量基准校准、高端惯性导航芯片制造等领域。先进制程芯片对晶格纯度、材料均匀度要求严苛，低杂质同位素硅基底能够降低器件漏电、提升芯片稳定性；计量领域则依靠单一同位素硅构建标准质量基准，是精密测量产业的底层基础材料。多重战略用途叠加，让硅-28成为兼具量子、半导体、计量三重价值的关键战略物资。

超高丰度硅-28提纯制备是极致精密的原子级加工工程，难度堪比微观尺度外科手术。硅原子尺寸仅零点几纳米，远小于发丝直径几十万分之一，科研团队需要在混合硅原子体系中精准筛分硅-28，微量硅-29、硅-30杂质都必须彻底剔除，微量混杂即导致产品报废，规模化量产门槛极高。

早在数年前，核理化院已实现丰度99.5%硅-28样品制备，但纯度无法匹配量子芯片严苛标准。近年来，研发团队持续迭代专用分离设备与全自动控制系统，逐一突破三大卡脖子难题：专用同位素分离装备自主研制、大型富集系统一体化设计、原子尺度超高精度丰度闭环控制，最终落地公斤级连续量产产线，稳定输出丰度超99.99%成品。

整套产线坐落于核理化院津南院区实验室，洁净厂房内标准化不锈钢气瓶完成高纯同位素封装。该产线不局限硅-28产品，依托院内成熟同位素分离、纯化、转化成套技术，现已覆盖钼、碲、镍、锌、镱等12类元素、26种稳定同位素规模化制造，产品广泛供给核医学成像、环境追踪、粒子物理基础研究等多领域，形成国内少有的同位素全流程自研体系。

目前核理化院已向国内高校、量子科研院所、半导体企业批量寄送硅-28样品开展联合性能验证，全部测试指标对标进口同类产品，性能完全满足流片、量子比特制备需求。

受制于海外小众产能、独家垄断格局，过去国内机构采购硅-28单价居高不下，极大地抬高硅基量子芯片研发试错成本。随着本次国产产线稳定运行，后续持续释放产能后，规模化生产将摊薄设备与工艺成本，直接降低国内量子计算、高端半导体企业原材料采购开支，加速实验室技术向工程化、产业化落地转化。

中国科学院院士俞大鹏表示，高丰度硅-28自主量产打通硅基量子计算最上游材料关卡，为国内实现大规模可控硅量子比特、原型量子计算机研发扫清核心原料障碍；工程院院士雷增光指出，从实验室样品到公斤级稳定量产跨越多年技术攻关，是我国稳定同位素产业里程碑式成果。

从半导体产业维度看，当前国内先进制程、特色工艺、第三代半导体、量子芯片多条赛道同步推进，各类高纯特种同位素、超高纯靶材、衬底材料的供给短板逐步凸显。稳定同位素作为细分关键原材料，是国内半导体供应链自主可控不可或缺的一环。过去国内半导体上游材料多聚焦光刻胶、靶材、电子特气，超高纯同位素长期被忽视，本次突破补齐细分赛道空白。