科技日报记者 都芃
“蔡总，你们进展怎么样了？我们钱都准备好了，就‘等硅下锅’了！”中核集团核工业理化工程研究院（以下简称“核理化院”）稳定同位素技术研发中心副总经理蔡伟的微信，每周都会收到好几条这样的催促信息。
用户们一直在催的，是极高丰度的硅-28同位素。它是研制硅基量子芯片的关键材料，此前只有极少数国家能规模生产。
6月15日，核理化院正式宣布，首次实现丰度超过99.99%的硅-28同位素规模化生产，为我国发展量子计算筑起坚实底座。
图片来源：中核集团
锁定分离工质

硅基量子芯片是以硅为基本材料来构建量子比特，进而实现量子计算的芯片。“这项技术一旦成熟，只需对现有的硅基半导体技术装备稍加改造，就能规模化实现量子计算。”蔡伟告诉科技日报记者，硅-28的一大特点是原子核无自旋，这意味着其不会产生任何磁场干扰，是制作硅基量子芯片衬底的绝佳材料。
“量子芯片靠操纵量子比特工作，硅-28极度‘安静’的特性使其不会对其他粒子的量子比特造成干扰。”蔡伟给记者打了个比方，衬底就像芯片的“地基”，为了不影响量子芯片工作，“地基”材料必须足够稳定，硅-28正满足这一要求。
早在2010年，核理化院团队曾因其他需求生产过丰度99.5%的硅-28。“这意味着还有0.5%的其他同位素。”核理化院稳定同位素领域首席专家谢全新说，对量子芯片而言，这一丰度还远远不够。
2020年，面对量子计算领域的强烈需求，进一步提高硅-28丰度的攻关被提上日程，这次的目标是超过99.99%。
老产品、新目标，是沿用此前方案，还是另起炉灶？曾参与过硅-28研制的谢全新其实没有太多纠结。“之前的工艺路线已经碰到了‘天花板’。”他和团队都清楚，老路子已经走进了“死胡同”，要实现新目标就必须对原有工艺体系进行大刀阔斧的革新。
工艺革新首先要从制备稳定同位素所用的分离工质入手。工质是承载稳定同位素的媒介物质，也是制备工艺的起点。此前使用的工质中由于带有其他同位素干扰，并不适用于制备超高丰度的硅-28。
“如果工质都不能保证足够纯净，后续就更加困难了。”谢全新说。为了找到更加纯净、干扰更小的工质，团队在可选的几种硅化合物中反复摸索，充分考虑既有技术基础、设备条件等因素，经过反复实验、对比，最终锁定只有一种稳定同位素的元素——氟，选用了四氟化硅气体作为制备工质。
量身定制设备

以四氟化硅为起点，团队对硅-28制备工艺流程各环节进行重新调整，逐步搭建起一套新的分离方案。此时，需要新的硬件设备作为支撑。
“四氟化硅虽然排除了更多干扰，但是也给后续制备工艺带来了不小的难度。”核理化院院长助理韩莉果告诉记者，四氟化硅的分子量较小，原有设备的设计并非为其量身定制，因此无法满足要求。
“差别越小，越不好把它们分开。”韩莉果解释说，同位素分离过程就像在黄米里筛出仅有细微差别的小米。“细微的差别带来的是指数级增加的分离难度。”她说，要适配新工艺体系，就必须对原有设备进行大幅改进。
例如，硅-28和它的同位素“兄弟”硅-29，仅相差1个中子，物理化学性质也高度相似，这使得它们的分离难度极大，如同在原子尺度上进行一场极其精密的外科手术，对设备操作精度、条件控制水平有着极高要求。
彼时，超过99.99%丰度的硅-28谁也没有做过，设备具体要如何改，没有人拿得准。
既然找不到前进的方向，不如退回起点重新出发。团队回归基础理论寻找突破口、摸索改进方向。“设备改进方案前前后后出了十多种，一直在调整。”团队青年骨干豆丹丹回忆，方案推倒重来是常事，但也正是在一次次推翻、试错中，改进方案逐步明确。
设备设计不能只依靠图纸。为保障设备长效稳定运转，团队同步开展多轮建模仿真、工况模拟，提前排查各类可能出现的问题。
一次次实验验证、一项项数据积累，多处细微却至关重要的优化点位逐一落地。改头换面的新设备在继承原有设备稳定、可靠性能的同时，更加适配新的工质，为下一步规模化生产提供了关键支撑。
织密级联网络

新设备有了，但要实现丰度超过99.99%的硅-28同位素规模化量产，还需要搭建一套复杂的工艺系统。
来到生产车间外，透过窗户一角，可以看到里面各种工艺设备、辅助设备紧密排列，蜿蜒穿梭的管道将它们井然有序地级联在一起。韩莉果颇为自豪地告诉记者，这个复杂的工艺系统从设计、安装到调试都是团队中的年轻人自主完成的。
工艺系统的搭建并不是简单地将设备堆砌在一起，而是要让各类设备找到最佳位置、最佳“搭档”，才能让系统成为一个有机整体，发挥出最优性能。这背后需要大量复杂、精巧的设计。
但同类系统此前没有人做过。面对空白的设计图纸，豆丹丹和同事们依托核理化院深厚的工程积淀，大量学习补充新知识，逐步摸索出能兼顾各种需求的系统最佳设计方案。
敲定设计方案只是第一步，整套系统想要稳定投产，还需完成细致的安装调试工作。
为了让亲手设计的系统运行起来，豆丹丹和团队既要琢磨原理、钻研工艺，当实验室里的科学家；又要画图纸、调设备，做车间里的工程师。
豆丹丹记得，系统中一个关键设备安装调试时正好赶上夏天。新建的厂区还没来得及装空调，近40摄氏度的高温下，大家穿着厚厚的工作服在车间里一干就是大半天，往往是还没开始工作，浑身便已湿透。
“我们自己设计的设备，还是自己安装调试最放心。”整个夏天，衣裳被汗水反复浸湿，豆丹丹和年轻的同事们也蜕变成了车间里的老师傅。
2025年9月，完成安装调试的系统试运行，首轮生产出的硅-28样品丰度与设计吻合，设备运转正常。同年12月，经过进一步打磨、优化，量产工艺最终定型。
蔡伟终于松了一口气，不用再因用户们的催促而焦虑。量产成功后，他第一时间把消息转发给了焦急等待的科研工作者。
“硅-28的规模量产成功，打破了该同位素产品的国际垄断。”谢全新说，“由它制成的一片片纯净衬底，将成为量子芯片的坚实‘地基’，从源头上为我国量子计算产业规模发展夯实根基。”
编辑：宋慈
审核：岳靓