|
量子计算被认为是下一代科技革命的引擎。硅基量子芯片则是最有可能推动量子计算规模化应用的技术之一。作为硅的稳定同位素，硅-28被誉为“世界上最纯净的硅”，是比钻石还纯净的晶体，是研制硅基量子芯片不可或缺的核心材料。
中核集团核工业理化工程研究院昨天宣布，我国科学家在稳定同位素富集与高纯硅制备领域取得关键性突破，首次成功实现丰度超过99.99%的硅-28同位素自主量产，产品关键指标达到国际先进水平。
科研团队介绍，这项科研突破，将为我国硅基量子计算芯片的自主研制，以及先进制程半导体、精确导航、计量基准等前沿科技领域高质量发展提供坚实支撑。那么，丰度超过99.99%的硅-28同位素为何会对硅基量子芯片如此重要？实现这项突破的难度有多大？
△硅-28稳定同位素产品图片
要了解这项科研突破，首先要回答一个问题，什么是量子计算。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介绍，我们日常使用的电脑、手机依靠经典逻辑计算，基本单元只有0和1两种状态，而量子计算依托量子叠加、纠缠特性，量子比特可同时承载多种状态，能并行处理海量复杂运算，专攻传统计算机难以攻克的难题。
蔡伟：也就是说，每个点位上所存储的信息和计算量跟常规逻辑计算相比较有指数级上升，特别适合大量并行计算。什么时候可能会需要并行计算？比如说预报天气，需要地面的观测数据、卫星的观测数据等，去推断一个地区接下来天气会怎么演变，这里面所用到的模型和参数变量非常多。在生物制药研发领域，生物新药的结构非常复杂，用量子计算可以比较好地给出一些理想分子模型，快速推动药物研发。
科研人员介绍，当下，量子计算处于多条技术路线协同推进的过程中，包括超导、硅基量子点、光量子、离子阱等。其中，由于硅基量子点路线在后续进行量子芯片生产时所使用的制造工艺和目前代际半导体芯片的制造工艺基本一致，所以被认为将在未来大规模发展量子计算时具有突出优势。这就说到此次科研突破的关键——为什么高纯硅对硅基量子芯片如此重要？蔡伟解释，其原因就在于硅-28这种硅的稳定同位素的独特属性。
△稳定同位素产品丰度检测
蔡伟：半导体领域已经在大规模使用单晶硅，但是哪怕拿到单晶的硅单质，它里面的硅-28、硅-29、硅-30的含量恒定不变。如果没有进行同位素分离，它一直都是由三种天然硅同位素组成，硅-28的丰度是92.2%，硅-29是4.7%，硅-30是3.1%。硅基量子点这个路线，在进行量子计算的过程中，实际上是在测量自由电子的量子比特位，硅-28原子核没有自旋，而硅-29因为原子核有自旋，在测量的时候，原子核也带自旋，电子也带自旋，它俩之间会形成干扰，直接影响人类对量子比特位操控和检测的时间，如果时间太短，量子计算无以为继。按照相关专家提出的要求，最好把硅-29全部去掉。
简单而言，如果把硅-29定义为“杂质”，“杂质”多了，量子计算就会失败。而此次，中国科学家直接把硅-28的丰度，从自然状态下的92%左右提升到99.99%，并且实现公斤级量产。蔡伟说，想要在原子尺度完成这项工作，其难度可想而知。
蔡伟：相当于1万个硅原子放到面前，里面有百分之四点几的硅-29，百分之三点几的硅-30，我们的工作是把它们全部摘出去，最后1万个里面仅有一个不是硅-28。现在能操控单个原子的工具有扫描隧道显微镜，但如果用那种方式搬的话，就像1万颗黄豆里面混了几百颗黑豆，用筷子一个一个夹走，非常难。但我们用的是核领域特有方法，把硅-28同位素给拢出来了，这得益于技术的逐步迭代和升级。
二十年的不懈努力，换来如今在高纯硅制备领域的里程碑式突破。那么，这项关键突破将为哪些领域带来机遇？又会如何影响你我呢？
△稳定同位素分离中央控制室
蔡伟说，这项科研成果犹如一颗石子投向湖面，将激起层层涟漪，推动我国硅基量子计算芯片的自主研制，以及先进制程半导体、高端导航、计量基准等前沿科技领域高质量发展。
其实，不止硅-28，近年来，核理化院项目团队攻克稳定同位素分离、纯化、转化等一系列国际尖端技术难题，先后实现了钼、碲、镍、锌、硅、镱等12种元素、26种稳定同位素的生产。蔡伟表示，正值《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，此次突破标志着我国在构建自主可控、协同高效的稳定同位素产业格局方面迈出实质性步伐，有力推动了我国核技术应用产业从“点状突破”向“链式发展”的跃升。
蔡伟：我们还需要做两方面的科研工作。第一，需要把化学形态进行转化，便于下游客户，不管是科研单位还是产业化应用单位去使用；第二，还要想办法提升产量，降低成本。量子计算真正要落地，涉及芯片制造、操作系统的构建，还有应用方面的每一个环节都需要取得长足进步，才能够形成产业链，应该在未来5至10年，会看到非常明确的产业化应用。构想未来，我们手持的个人计算终端可能会有两个，一个就是手机，另一个可能就是量子计算的手持终端，让量子计算改变人类的生活。
|
