重大突破｜中国在量子芯片研制方面出现里程碑式的突破！

6月15日上午，中国中核集团对外公开宣布，该公司首次成功实现丰度超过99.99%的硅-28同位素自主量产，其产品所有关键的生产指标，都已经达到国际最先进水平。


翻译一下就是：咱们搞出了目前地球上最纯净的硅材料。为什么说这件事值得拿出来好好聊一聊？因为这不是普通的工业原材料，而是硅基量子芯片的核心耗材。


量子计算被认为是下一代科技革命的底层引擎，而硅基量子芯片是目前几条技术路线里最有可能实现大规模商用的一条——它和现有的芯片制造工艺天然兼容，理论上最容易从实验室走向工厂。


但过去很多年，这条路一直卡在一个要命的问题上：材料。天然硅里其实住着三兄弟——硅-28、硅-29和硅-30。硅-28占了大约92%，是老大。


问题出在老二硅-29身上，这家伙的原子核天生带着自旋，就像一台永远关不掉的收音机，在微观世界里持续发出电磁噪音，严重干扰量子比特的稳定性。


而硅-28的原子核自旋为零，用它做出来的芯片，量子比特可以在一个“干净”的环境里安静工作，相干时间大幅延长。正因如此，超高丰度硅-28被业内称为“世界上最纯净的硅”，比钻石还纯净。


但要把它从92%提纯到99.99%以上，难度堪比在几十亿粒黄米里把那一小撮颜色略微不同的挑出来。


硅-28和硅-29的质量差异极小，仅仅相差一个中子的重量，要从原料提纯到分离富集，每一步工艺都在挑战物理和工程的双重极限。长期以来，全球只有极少数国家具备这个能力，相关材料一直属于严控出口品类。


这次搞出来的硅-28，纯度有多夸张？丰度超过99.99%，意味着每一万个硅原子里，捣乱的硅-29不超过一个。


为了这一天，核工业理化工程研究院的团队埋头干了不知道多少年。中国工程院院士雷增光感慨，从技术攻关到量产落地，凝聚了科研团队多年的心血。


他们面对的是一个没有现成经验可抄的领域，整套工艺流程——离心、转化、多级联、纯化、再结晶——任何一个环节出点岔子，纯度就掉下来了。


今年正好是《核技术应用产业高质量发展三年行动方案（2024—2026年）》的收官之年，这次突破的象征意义很明显：我国稳定同位素产业正在从零散的“点状突破”向自主可控的“链式发展”跃升。


除了硅-28，这个团队已经先后实现了钼、碲、镍、锌、镱等12种元素、26种稳定同位素的生产，中国科学院院士俞大鹏在接受采访时说了一句很形象的话：这个突破彻底解决了中国硅基量子计算“无米之炊”的燃眉之急。


所谓“无米之炊”，说的就是过去那种尴尬局面。国内量子芯片团队可以设计出精巧的器件结构，可以搭建出低温测试平台，但如果核心材料的供应链捏在别人手里，整个上下游就始终悬着一把剑。现在这把剑终于可以放下了。


当然也要说清楚，搞定了材料不等于搞定了芯片。量子计算的赛道还很长，超导、离子阱、光量子、拓扑等多条技术路线并行竞争，谁最终胜出还不好说。


但硅基路线有一个天然优势——它和传统芯片制造工艺兼容，理论上最容易实现大规模集成。这也是为什么英特尔、谷歌等巨头都在重金投入这条路线。


澳大利亚的SQC团队去年在《自然》杂志上发表了一项研究，他们基于硅-28材料构建了一个11量子比特的处理器，双量子比特门操作的保真度最高达到99.9%。这说明硅基路线的可行性已经在实验室层面得到了验证。


这次国产超高纯度硅-28的量产，相当于给国内搞硅基量子计算的科研人员递了一把好米。至于能不能做出一锅好饭，就看接下来怎么烧这把火了。


最后提一嘴，核理化院方面表示，除了硅-28，后续还将在核能与核医疗、航空航天、粒子物理、深空探测等领域开展系列稳定同位素产品的研发。这个节奏，是打算在更多被“卡脖子”的领域一个一个把缺口补上。


信源：科技日报