比黃金貴3倍！中國搞定99.99%純硅，量子芯片終于不用看別人臉色

6月15日，一條消息在科技圈炸了鍋。

中核集團(tuán)旗下核工業(yè)理化工程研究院正式宣布，經(jīng)過四年研發(fā)，首次成功實(shí)現(xiàn)豐度超過99.99%的硅-28同位素自主量產(chǎn)。

這事有多大？這么說吧——硅基量子芯片最核心的那塊材料，我們終于自己造出來了。

一、從92%到99.99%，四年磨一劍

先看數(shù)字。自然界里的硅，天然有三種同位素：硅-28占92.2%，硅-29占4.68%，硅-30占3.1%。

日常用沒問題。普通芯片、太陽能電池板，天然硅就夠了。

但一到量子計(jì)算，硅-29就成了大麻煩。硅-29的原子核有自旋，會(huì)持續(xù)干擾量子比特的穩(wěn)定運(yùn)行。核理化院穩(wěn)定同位素技術(shù)研發(fā)中心副總經(jīng)理蔡偉打了個(gè)比方：相當(dāng)于1萬個(gè)硅原子里混了幾百顆“黑豆”，要用筷子一個(gè)一個(gè)夾走。

而這次，中國科學(xué)家硬是把這個(gè)比例從92%左右拉到了99.99%以上。

難度有多大？硅-28和硅-29只差一個(gè)中子的質(zhì)量，要從十幾億粒“大米”里只靠重量挑出特定的幾粒。

核理化院團(tuán)隊(duì)干了四年。這不是實(shí)驗(yàn)室里擺弄幾個(gè)樣品，是公斤級(jí)量產(chǎn)。

中科院院士俞大鵬的評(píng)價(jià)很直接：這一突破徹底解決了硅基量子計(jì)算“無米之炊”的燃眉之急。

二、為什么硅基路線這么受關(guān)注？

你可能會(huì)問：量子計(jì)算不是有好幾條路嗎？超導(dǎo)、離子阱、光量子……為什么硅基這么重要？

答案就一條——硅基量子芯片的制造工藝，和現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片的工藝基本一致。

這意味著什么？意味著全球已經(jīng)積累了六十年的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，從材料到設(shè)備到晶圓制造，可以直接拿來用。

超導(dǎo)量子計(jì)算要零下273度，操作復(fù)雜、成本高。硅基不一樣。一旦材料搞定，后面的晶體生長、晶圓切片、光刻、封裝，全是現(xiàn)成的。

這是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)幾十年積累的“老本”，在下一代計(jì)算革命里還能接著用。

三、“比黃金還貴”的材料，現(xiàn)在自己有了

核理化院穩(wěn)定同位素首席專家謝全新說了一句很直白的話：高豐度硅-28“遠(yuǎn)比黃金更金貴”。

有多貴？市面上一克高豐度硅-28的價(jià)格，是一克黃金的3倍。

全球能規(guī)模化生產(chǎn)這東西的國家，屈指可數(shù)。2024年全球硅-28產(chǎn)量大約只有219.9千克，長期屬于嚴(yán)控出口品類。

以前我們高度依賴進(jìn)口。蔡偉說得很實(shí)在：硅基量子計(jì)算必須用硅-28，如果做不到，想構(gòu)建自主完整的量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)，幾乎不可能。從海外進(jìn)口，會(huì)嚴(yán)重受制于人。

現(xiàn)在好了。核理化院副院長劉成業(yè)明確表示，目前高純硅-28大規(guī)模量產(chǎn)在技術(shù)層面已經(jīng)沒有障礙，試驗(yàn)線產(chǎn)能正在持續(xù)提升，能短時(shí)間內(nèi)滿足國內(nèi)需求。

穩(wěn)定同位素分離中央控制室

四、不止是量子計(jì)算，高端芯片也能用

很多人只盯著量子計(jì)算，其實(shí)高豐度硅-28的應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)不止這一個(gè)。

蔡偉介紹，高豐度硅-28的晶體結(jié)構(gòu)更“規(guī)整”，電子的量子隧穿效應(yīng)更少，具備更優(yōu)異的低熱噪聲、高導(dǎo)熱、高載流子遷移率。

翻譯成大白話：用這種材料做的芯片，運(yùn)行更穩(wěn)、發(fā)熱更少、性能更好。

國內(nèi)行業(yè)專家甚至提出：如果把高豐度硅-28用作先進(jìn)半導(dǎo)體材料，帶來的芯片性能提升，相當(dāng)于改進(jìn)了一代制程工藝。

在2到3納米甚至更先進(jìn)的芯片制程里，這東西的價(jià)值不可估量。

除此之外，高端導(dǎo)航、計(jì)量基準(zhǔn)、精密測(cè)量這些領(lǐng)域，硅-28也是關(guān)鍵材料。它本身就是定義“千克”質(zhì)量基準(zhǔn)的核心材料之一。

五、從“點(diǎn)狀突破”到“鏈?zhǔn)桨l(fā)展”

這次突破還有一個(gè)大背景——正值《核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展三年行動(dòng)方案（2024-2026年）》收官之年。

核理化院院長助理韓莉果介紹，穩(wěn)定同位素在核醫(yī)學(xué)成像、精準(zhǔn)放療、核安保溯源、基礎(chǔ)物理研究等領(lǐng)域具有不可替代的戰(zhàn)略價(jià)值。

長期以來，全球穩(wěn)定同位素制備技術(shù)高度集中，壁壘極高，已成為制約我國量子科技、先進(jìn)半導(dǎo)體、高端醫(yī)療裝備等關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的重要環(huán)節(jié)。

但變化正在發(fā)生。核理化院此前已先后實(shí)現(xiàn)了鉬、碲、鎳、鋅、硅、鐿等12種元素、26種穩(wěn)定同位素的生產(chǎn)。

這不是單一突破，是一張國產(chǎn)穩(wěn)定同位素的版圖正在加速拼接。

韓莉果說得很清楚： “未來我們?nèi)詫⑷﹂_展穩(wěn)定同位素研發(fā)并拓展量產(chǎn)能力，這對(duì)保障我國關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全具有重大戰(zhàn)略意義。”

六、全球格局在變

長期以來，歐洲掌握著全球主要的穩(wěn)定同位素研發(fā)和生產(chǎn)能力。中國加入硅-28的供給體系，正在從供需兩端重構(gòu)全球穩(wěn)定同位素產(chǎn)業(yè)格局。

劉成業(yè)說： “中國加入供給體系，有望推動(dòng)產(chǎn)品價(jià)格下降，使更多科研機(jī)構(gòu)和中小企業(yè)受益。”

在需求端，我國多種穩(wěn)定同位素自主供應(yīng)能力將激發(fā)國內(nèi)量子科技、先進(jìn)半導(dǎo)體等下游應(yīng)用加速發(fā)展。

一個(gè)值得關(guān)注的數(shù)據(jù)：隨著先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，后續(xù)高豐度硅-28的需求量預(yù)計(jì)將從公斤級(jí)增長到噸級(jí)。

這是一個(gè)量級(jí)上的躍遷——從科研級(jí)別的少量需求，轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)級(jí)的批量供應(yīng)。背后反映的是下游產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的真實(shí)加速。

穩(wěn)定同位素產(chǎn)品豐度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

七、還有很長的路要走

當(dāng)然，材料突破只是第一步。

硅基量子計(jì)算從材料到真正可用的計(jì)算機(jī)，中間還有芯片制造工藝驗(yàn)證、操作系統(tǒng)構(gòu)建、量子糾錯(cuò)算法部署、應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)等一大堆事。

核理化院自己也很清楚。他們表示，后續(xù)還要做兩方面工作：第一，把化學(xué)形態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，便于下游客戶直接使用；第二，想辦法提升產(chǎn)量、降低成本。

但方向已經(jīng)定了。被動(dòng)防御的時(shí)代過去了，主動(dòng)出擊的條件正在逐步成熟。

中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)過去幾十年受制于人的經(jīng)歷，正在被一個(gè)環(huán)節(jié)一個(gè)環(huán)節(jié)地改寫。從硅片到光刻膠，從特種氣體到高純金屬靶材，再到今天硅-28同位素的量產(chǎn)——每一個(gè)關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化，都意味著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈又收回了一塊拼圖。

留給你的思考

1. 技術(shù)路線之爭(zhēng)：超導(dǎo)、硅基、光量子、離子阱，你覺得哪條路會(huì)最先跑出來？

2. 產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)會(huì)：硅-28國產(chǎn)化之后，上游材料制備、中游芯片設(shè)計(jì)、下游應(yīng)用場(chǎng)景，哪個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)最先爆發(fā)？

3. 下一個(gè)“卡脖子” ：除了硅-28，你覺得還有哪些關(guān)鍵材料和設(shè)備，是中國量子產(chǎn)業(yè)鏈最迫切需要國產(chǎn)化的？

歡迎在評(píng)論區(qū)聊聊。