硅-28量产突破99.99%，量子芯片关键原料国产化

三组数据，揭开“最纯净硅”的真相

2026年6月15日的下午时分，在天津滨海新区当中, 处于中核集团核工业理化工程研究院那里的实验室里, 一炉呈现灰黑色状的晶体由此被缓缓地取了出来, 在场的那些工程师们目光紧盯着位于检测仪上面的数字, 显示是硅-28丰度99.992%, 而这个数字, 所代表的意义是中国首次达成了超越“四个9”级别的硅同位素自主量产这一情况。

在此之前, 全球仅有两家公司把控这一技术, 并且对中国实施严格的出口管制措施。核理化院院长姜宏民在现场表述得很直接, 说道: “我们并非在进行化学提纯行为, 而是在开展同位素物理分离工作, 恰似把一堆近乎一模一样的豆子依照重量一颗颗挑选出来。”。

为什么非得是硅-28

名为天然硅矿石的矿种涵盖“三兄弟”: 硅-30、硅-29与硅-28, 其中硅-28含量仅占约928点8百分点, 近8%的“捣乱元素”才占所有含硅矿石。普通芯片选择元素是全方位宽泛自由, 但量子芯片要求极其的精细精确, 对此要求完全是苛刻严格。

差错体现在硅 - 29之上, 此物体自身具备核自旋, 如同一个微型磁铁, 会不断干扰量子比特的运算状况, 就算仅存在几万分之一的浓度, 也足以致使量子计算机的计算结局沦为一团乱码。

实验数据呈现出了残酷的对照, 当硅 - 28 的丰度从百分之九十二提升至百分之九十九点九九之时候, 量子比特的相干时间从几十微秒径直跃升至毫秒级别。核理化院的工程师李明作了一个比方, 说“菜市场变成隔音室, 环境噪音直接下降了一百倍”。

这不是化学魔术，而是物理筛豆子

许多人觉得提纯就是添加些药剂, 进行加热反应, 然而在同位素分离这一情况之下, 这些办法全都不起作用。对于硅 - 28、硅 - 29、硅 - 30而言, 它们的化学性质完全相同, 任何化学反应都没办法将它们区分开来。

核理化院那个团队迈进的是一条更具难度的路径, 他们构建起了精密无比的气体离心机阵列, 借助三种同位素存在着极其微小的质量差异, 也就是硅-29比硅-28重大约3.5%这种情况, 于高速旋转进程里达成物理层面的分离。

在6月16日媒体沟通会上进行解释的姜宏民称, 这如同于高速旋转的离心机之中筛豆子那般, 重量较重的豆子会飞向其外圈, 而重量较轻的豆子则留于内圈 , 我们并非在改动硅的化学成分 , 而是对它的同位素比例实施重新排列 , 这套设备对于环境的要求极其高 , 温度的波动不能够超过0.1摄氏度 , 震动务必得低于微米级别。

一场持续十年的“提纯”竞赛

从立项开始一直到量产, 核理化院走过了漫长的整整十年时间。在2019年的时候, 他们首次达成了丰度99%的硅 - 28的小批量生产。到了2023年, 又实现了丰度突破99.9%。一直持续到今年6月, 才最终真正跨越了99.99%这道关键门槛。

项目技术负责人王建国告知记者, 每增长上升一个层次级别, 其困难程度并非成倍增加, 而是增长为原来的十倍 , 从百分之九十九提升至百分之九十九点九, 他们耗费掉了四年光阴 , 从百分之九十九点九提升至百分之九十九点九九, 又耗用去三年时间 , 进而强调最后这一段极小距离的精细程度, 相比之前全部加起来的难度还要更高。

需要留意的是, 在全球范围之内, 能够实现量产且丰度越过 99.99%硅 - 28 的企业, 截至现今仅有两家, 其中一家来自美国, 另一家来自日本。核理化院所取得的突破, 使得中国变成全球第三个掌握该项技术的国家。

量子芯片的“米”有了，但不止于此

对于中国科学院院士俞大鹏的评价, 那是相当一针见血, 其评价内容为: “这般突破解决了硅基量子计算层面‘无米之炊’的相关问题。”在这之前呢, 国内量子计算团队采购进口硅 - 28原料, 每公斤售价超过30万美元, 并且供应周期长达半年之久。

量子芯片仅是第一站, 超丰度硅 - 28在高端半导体领域有巨大价值, 在航空航天领域有巨大价值, 在精密计量领域也有巨大价值 , 用它制作的芯片, 其内部干扰信号能够降低80%以上 ；搭载它的高精度卫星导航系统, 定位误差可从米级被压缩到厘米级。

姜宏民讲了这样一句话, 它不确保明天你就能够使用上量子手机, 不过它能够保证当那样一天来临的时候, 我们不会因为原料而被阻挡在门外, 此言一出, 使得在场的记者都安静了好几秒。

从92%到99.99%，这不是终点

硅 - 28, 其丰度达到了99.99%, 这已然是当下国际上的顶级水平。然而, 核理化院的那些工程师们, 已经将目光瞄准了下一个目标, 那便是五个9, 甚至是六个9。

随着每一次量级的提升, 量子比特的运算错误率会进一步下降一个数量级 , 当达到那个时候 , 量子计算机将会挣脱实验室里沦为“大玩具”的命运 , 摇身一变成为真正能够解决实际问题堪称工业工具的存在 , 你认为硅 - 28的丰度究竟需要再提升到多高的程度 , 方可促使量子计算机得以走进日常生活呢?

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