“蔡總，你們進展怎么樣了？我們錢都準備好了，就‘等硅下鍋’了！”中核集團核工業理化工程研究院（以下簡稱“核理化院”）穩定同位素技術研發中心副總經理蔡偉的微信，每周都會收到好幾條這樣的催促信息。

用戶們一直在催的，是極高豐度的硅-28同位素。它是研制硅基量子芯片的關鍵材料，此前只有極少數國家能規模生產。

6月15日，核理化院正式宣布，首次實現豐度超過99.99%的硅-28同位素規模化生產，為我國發展量子計算筑起堅實底座。

鎖定分離工質

硅基量子芯片是以硅為基本材料來構建量子比特，進而實現量子計算的芯片。“這項技術一旦成熟，只需對現有的硅基半導體技術裝備稍加改造，就能規模化實現量子計算。”蔡偉告訴記者，硅-28的一大特點是原子核無自旋，這意味著其不會產生任何磁場干擾，是制作硅基量子芯片襯底的絕佳材料。

“量子芯片靠操縱量子比特工作，硅-28極度‘安靜’的特性使其不會對其他粒子的量子比特造成干擾。”蔡偉給記者打了個比方，襯底就像芯片的“地基”，為了不影響量子芯片工作，“地基”材料必須足夠穩定，硅-28正滿足這一要求。

早在2010年，核理化院團隊曾因其他需求生產過豐度99.5%的硅-28。“這意味著還有0.5%的其他同位素。”核理化院穩定同位素領域首席專家謝全新說，對量子芯片而言，這一豐度還遠遠不夠。

2020年，面對量子計算領域的強烈需求，進一步提高硅-28豐度的攻關被提上日程，這次的目標是超過99.99%。

老產品、新目標，是沿用此前方案，還是另起爐灶？曾參與過硅-28研制的謝全新其實沒有太多糾結。“之前的工藝路線已經碰到了‘天花板’。”他和團隊都清楚，老路子已經走進了“死胡同”，要實現新目標就必須對原有工藝體系進行大刀闊斧的革新。

工藝革新首先要從制備穩定同位素所用的分離工質入手。工質是承載穩定同位素的媒介物質，也是制備工藝的起點。此前使用的工質中由于帶有其他同位素干擾，并不適用于制備超高豐度的硅-28。

“如果工質都不能保證足夠純凈，后續就更加困難了。”謝全新說。為了找到更加純凈、干擾更小的工質，團隊在可選的幾種硅化合物中反復摸索，充分考慮既有技術基礎、設備條件等因素，經過反復實驗、對比，最終鎖定只有一種穩定同位素的元素——氟，選用了四氟化硅氣體作為制備工質。

量身定制設備

以四氟化硅為起點，團隊對硅-28制備工藝流程各環節進行重新調整，逐步搭建起一套新的分離方案。此時，需要新的硬件設備作為支撐。

“四氟化硅雖然排除了更多干擾，但是也給后續制備工藝帶來了不小的難度。”核理化院院長助理韓莉果告訴記者，四氟化硅的分子量較小，原有設備的設計并非為其量身定制，因此無法滿足要求。

“差別越小，越不好把它們分開。”韓莉果解釋說，同位素分離過程就像在黃米里篩出僅有細微差別的小米。“細微的差別帶來的是指數級增加的分離難度。”她說，要適配新工藝體系，就必須對原有設備進行大幅改進。

例如，硅-28和它的同位素“兄弟”硅-29，僅相差1個中子，物理化學性質也高度相似，這使得它們的分離難度極大，如同在原子尺度上進行一場極其精密的外科手術，對設備操作精度、條件控制水平有著極高要求。

彼時，超過99.99%豐度的硅-28誰也沒有做過，設備具體要如何改，沒有人拿得準。

既然找不到前進的方向，不如退回起點重新出發。團隊回歸基礎理論尋找突破口、摸索改進方向。“設備改進方案前前后后出了十多種，一直在調整。”團隊青年骨干豆丹丹回憶，方案推倒重來是常事，但也正是在一次次推翻、試錯中，改進方案逐步明確。

設備設計不能只依靠圖紙。為保障設備長效穩定運轉，團隊同步開展多輪建模仿真、工況模擬，提前排查各類可能出現的問題。

一次次實驗驗證、一項項數據積累，多處細微卻至關重要的優化點位逐一落地。改頭換面的新設備在繼承原有設備穩定、可靠性能的同時，更加適配新的工質，為下一步規模化生產提供了關鍵支撐。

織密級聯網絡

新設備有了，但要實現豐度超過99.99%的硅-28同位素規模化量產，還需要搭建一套復雜的工藝系統。

來到生產車間外，透過窗戶一角，可以看到里面各種工藝設備、輔助設備緊密排列，蜿蜒穿梭的管道將它們井然有序地級聯在一起。韓莉果頗為自豪地告訴記者，這個復雜的工藝系統從設計、安裝到調試都是團隊中的年輕人自主完成的。

工藝系統的搭建并不是簡單地將設備堆砌在一起，而是要讓各類設備找到最佳位置、最佳“搭檔”，才能讓系統成為一個有機整體，發揮出最優性能。這背后需要大量復雜、精巧的設計。

但同類系統此前沒有人做過。面對空白的設計圖紙，豆丹丹和同事們依托核理化院深厚的工程積淀，大量學習補充新知識，逐步摸索出能兼顧各種需求的系統最佳設計方案。

敲定設計方案只是第一步，整套系統想要穩定投產，還需完成細致的安裝調試工作。

為了讓親手設計的系統運行起來，豆丹丹和團隊既要琢磨原理、鉆研工藝，當實驗室里的科學家；又要畫圖紙、調設備，做車間里的工程師。

豆丹丹記得，系統中一個關鍵設備安裝調試時正好趕上夏天。新建的廠區還沒來得及裝空調，近40攝氏度的高溫下，大家穿著厚厚的工作服在車間里一干就是大半天，往往是還沒開始工作，渾身便已濕透。

“我們自己設計的設備，還是自己安裝調試最放心。”整個夏天，衣裳被汗水反復浸濕，豆丹丹和年輕的同事們也蛻變成了車間里的老師傅。

2025年9月，完成安裝調試的系統試運行，首輪生產出的硅-28樣品豐度與設計吻合，設備運轉正常。同年12月，經過進一步打磨、優化，量產工藝最終定型。

蔡偉終于松了一口氣，不用再因用戶們的催促而焦慮。量產成功后，他第一時間把消息轉發給了焦急等待的科研工作者。

“硅-28的規模量產成功，打破了該同位素產品的國際壟斷。”謝全新說，“由它制成的一片片純凈襯底，將成為量子芯片的堅實‘地基’，從源頭上為我國量子計算產業規模發展夯實根基。”