【環球時報報道 記者 樊巍】6月15日，中核集團旗下中國原子能工業有限公司所屬核工業理化工程研究院（以下簡稱“核理化院”）正式公布在量子信息新材料領域取得重大突破，經過四年的研發，該院科研團隊實現豐度超99.99%的硅-28自主量產，這標志著一項此前長期被國外封鎖的核心技術壁壘——高豐度同位素分離技術被成功攻克。核理化院副院長劉成業告訴《環球時報》記者：“對于國家‘十五五’規劃布局而言，高豐度硅-28自主量產將為量子計算芯片、先進制程半導體等前沿領域提供關鍵的材料支撐，避免核心環節受制于人。”

量子技術產業化發展，高純硅-28先行

在核理化院的一間會議室中，《環球時報》記者注意到，兩幅掛在墻上的中科院院士寄語格外顯眼。在寄語中，兩位從事高端材料研究的院士不約而同地提到量子科學，并對核理化院在這一前沿領域的作用提出希冀。核理化院穩定同位素技術研發中心副總經理蔡偉告訴《環球時報》記者，“兩位院士都希望我們能加快量子信息新材料的研發和產業化，主要就是指高豐度硅-28同位素。”

量子是部分物理量（如能量、角動量等）在微觀尺度下呈現的最小不可分割單位。量子雖小，但“潛能無限”，其自帶的量子疊加、量子糾纏、不可克隆等特性，通過合理方式加以應用，便能創造出足以重塑世界的量子科技。當前它可讓算力狂飆、實現指數級飛躍的量子計算、實現數據安全傳輸無法竊取的量子通信，還有能把測量精準度大幅提升、打破傳統感知極限的量子精密測量，都是科技強國爭相布局的重點領域。

其中量子計算機不僅具有加速運算的功能，而且可以解決某些在傳統計算機上難解的問題，可以說，某些計算領域量子計算的算力會指數級超越電子計算。然而正如電子計算機的運行依托于傳統的芯片技術，量子計算機的強大算力也建立在“量子芯片”的基礎上。而超高豐度硅-28就是全球公認的制造硅基量子計算芯片的關鍵原材料。

“量子計算機以量子比特為基本運算單元，而硅材料的特性特別適合用于實現量子比特的存儲和操作。這當中，超高豐度硅-28被認為是較為理想且純凈的量子計算材料。”蔡偉介紹稱，從自然界中提取的硅包含硅-28、硅-29和硅-30三種穩定的同位素。其中，硅-29約占硅的4.68%，其原子核攜帶非零核自旋，會產生噪聲對電子的量子比特自旋造成干擾。豐度超99.99%的高純硅-28幾乎無核自旋，能夠大幅提升量子比特的相干性和操控精度，從而為硅基量子計算機研發提供關鍵材料支撐。

除了應用于面向未來的硅基量子芯片，高豐度硅-28的特性也使得其可以用于先進半導體領域，給更高制程芯片技術帶來顛覆性的變化。蔡偉進一步介紹稱，高豐度的硅-28與天然硅的化學性質相同，物理性質有細微區別但十分關鍵。高豐度硅-28的晶體結構更“規整”，電子的量子隧穿效應更少，具備更優異的低熱噪聲、高導熱、高載流子遷移率的電學特性。

蔡偉稱:“基于高豐度硅-28制備的半導體器件，能夠顯著提升器件熱導率和運行穩定性，在高端芯片制造領域具備廣闊應用潛力。國內行業專家曾提出，如果將高豐度硅-28用作先進半導體材料，其所帶來的芯片性能提升相當于改進了芯片的制程工藝。”

核理化院穩定同位素首席專家謝全新則以一種通俗的方式向《環球時報》記者介紹了高豐度硅-28當前的主要應用場景。他表示，如果把普通硅比作“混合大米”，高豐度硅-28就是從中精挑出的單一品種大米，日常吃飯用混合米就行，只有精密實驗、特殊用途才需要極致提純的單一品種。因此，高豐度硅-28當前階段主要應用場景還是集中于量子計算、半導體器件研發、精密計量等前沿科技領域。

或將重構全球穩定同位素產業格局

以高豐度硅-28為代表的穩定同位素屬于高端材料，其制備技術被少數國家壟斷，歐洲掌握著全球主要的穩定同位素研發和生產。此前，對于高豐度硅-28這種戰略材料，我國也高度依賴進口。

“高豐度硅-28在我國及全球需求量為公斤級，主要集中在量子領域的研發階段。”謝全新以“遠比黃金更金貴”來形容高豐度硅-28的價值，“高豐度硅-28屬于高端材料，產品附加值較高，目前市面上一克高豐度硅-28的價格是一克黃金的3倍。”

此次核理化院成功實現將硅-28豐度從天然的92.2%提升至99.99%以上，標志著我國攻克了長期被國外封鎖的核心技術壁壘——高豐度同位素分離技術及相關技術產品指標已經達到世界先進水平。

“以高豐度硅-28同位素量產為突破，我們將從供需兩端重構全球穩定同位素產業格局。”劉成業介紹稱，中國加入供給體系，有望推動產品價格下降，使更多科研機構和中小企業受益。在需求端方面，我國多種穩定同位素自主供應能力將激發國內量子科技、先進半導體等下游應用加速發展，實現戰略性新興產業的自主可控。

隨著先進半導體技術的不斷發展，后續高豐度硅-28的需求量預計在噸級。劉成業表示，目前核理化院實現高純硅-28的大規模量產在技術層面已沒有障礙。核理化院試驗線的硅-28同位素產能正在持續提升，能短時間內滿足國內需求。隨著后續部分應用場景持續開發，核理化院可適時提升生產能力，預期能滿足國內絕大部分的市場需求。

更多“短板”正被補齊

在核理化院的一條走廊上，展示著一張當前穩定同位素產品及應用的示意圖。《環球時報》記者看到，包括氙、鋅、氪、鍺、鉬、鎳、鎢等10余種元素的30余種穩定同位素產品在集成電路、核工業、醫學、精密測量等領域發揮著關鍵作用。當中，核理化院已經“攻克”的穩定同位素被標識為藍色，處于研發中，正在被“攻克”的穩定同位素則被標識為灰色。隨著高純硅-28實現自主量產，這一關鍵材料“由黯向藍”。

“穩定同位素是指某些元素中不發生或極不易發生放射性衰變的同位素，其應用是核技術應用的重要組成部分，在核能、核醫療、量子信息、航天航空、基礎研究等諸多領域具有不可替代的作用。”核理化院院長助理韓莉果向《環球時報》記者介紹稱，例如在核醫學成像領域，氙-129是實現肺部超極化檢測的關鍵原材料，可大幅提升肺部檢測成像效果。在基礎物理領域，鍺-76、鉬-100、氙-136可用于無中微子雙貝塔衰變實驗研究，高豐度硅-28還可用于阿伏伽德羅常數測定等前沿研究。此外，鍺-72在先進集成電路應用領域已實現規模化應用，正擴大國產供應比例。

“長期以來，全球僅極少數國家具備穩定同位素規模化生產能力。此前，我國穩定同位素高端產品長期依賴進口，對相關產業發展和關鍵領域安全造成影響，制約了我國高端裝備制造、核醫學診斷、前沿科學研究的自主發展。這也是迫使我們在這一領域持續發力的原因。”韓莉果稱。

據了解，近年來，我國在穩定同位素領域取得了硼-10、碳-13、鍺-72、鎳-64、鉬-100、碲-130、鐿-176等一系列突破。到目前為止，核理化院已經成功研發了10余種元素近30種穩定同位素產品。但韓莉果認為，當前我國還需增加穩定同位素的整體自主供應數量。“未來，我們仍將全力開展穩定同位素研發并拓展量產能力，這對保障我國關鍵領域產業鏈供應鏈安全、推動高端科學研究與產業升級、提升我國在相關領域的自主可控能力具有重大戰略意義。”返回搜狐，查看更多