Am 15. Juni gab die China National Nuclear Corporation (CNNC) bekannt, dass chinesische Wissenschaftler einen entscheidenden Durchbruch im Bereich der Anreicherung stabiler Isotope erzielt haben. Erstmals gelang die eigenständige Massenproduktion von Silizium-28-Isotopen mit einer Anreicherung von über 99,99 %, wobei die Schlüsselindikatoren des Produkts das internationale Spitzenniveau erreichten. Dieses Ergebnis wurde vom Team des Forschungsinstituts für Physik und Chemie der Kernindustrie der CNNC erzielt und markiert einen wesentlichen Fortschritt Chinas bei Schlüsselmaterialien für siliziumbasierte Quantenchips, der Herstellung hochangereicherter stabiler Isotope und der industriellen Engineering-Fähigkeit für stabile Isotope.
Der Grund, warum Silizium-28 im Bereich des Quantencomputings Beachtung findet, liegt vor allem darin, dass es die Umgebungsrauschstörungen beim Betrieb von Qubits reduzieren kann. Natürliches Silizium besteht aus drei stabilen Isotopen: Silizium-28, Silizium-29 und Silizium-30, wobei Silizium-28 einen Anteil von etwa 92,2 % ausmacht. In siliziumbasierten Quantenchips besitzt Silizium-29 einen Kernspin, der die Aufrechterhaltung des Quantenzustands und die Kohärenzzeit der Qubits beeinflusst. Die Erhöhung der Anreicherung von Silizium-28 auf über 99,99 % schafft eine „ruhigere" Materialumgebung für siliziumbasierte Quantenbauelemente, trägt zur Verbesserung der Stabilität des Quantenzustands bei und bietet eine materielle Grundlage für das anschließende Design von Quantenchips, die Bauelementherstellung und die großflächige Integration.
Die Schwierigkeit dieses Durchbruchs liegt nicht in der chemischen Reinigung im herkömmlichen Sinne, sondern in der hochpräzisen Trennung verschiedener Isotope desselben Elements. Die chemischen Eigenschaften von Silizium-28, Silizium-29 und Silizium-30 sind ähnlich, sodass eine effektive Unterscheidung durch konventionelle chemische Reaktionen nicht möglich ist. Stattdessen muss das Anreicherungsverhältnis der verschiedenen Isotope durch Technologien zur Trennung stabiler Isotope verändert werden. Ein verantwortlicher Vertreter des Forschungsinstituts für Physik und Chemie der Kernindustrie der CNNC erklärte, dass der Prozess der Reinigung von Silizium-28 eher dem Trennen von „Bohnen" unterschiedlicher Masse gleicht, um Silizium-28 in der Zielkomponente anzureichern. Die Fähigkeit zur eigenständigen Massenproduktion mit einer Anreicherung von über 99,99 % zeigt, dass die relevanten Trennverfahren, die Anlagensteuerung, die Prozessstabilität und die Produktkonsistenz bereits das Engineering-Stadium erreicht haben.
Siliziumbasiertes Quantencomputing gilt als vielversprechend für die Kombination mit etablierten Halbleiterprozessen. Im Vergleich zu einigen Quantenansätzen, die auf speziellen Materialsystemen basieren, lässt sich der siliziumbasierte Ansatz leichter mit dem bestehenden CMOS-Herstellungssystem, Wafer-Verarbeitungsanlagen und der Halbleiterindustrie-Lieferkette verbinden. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Reinheit der Schlüsselmaterialien, die Isotopenzusammensetzung und die Kristallqualität den Anforderungen von Quantenbauelementen entsprechen. Die eigenständige Massenproduktion von hochangereichertem Silizium-28 trägt dazu bei, die Abhängigkeit der chinesischen Forschung an siliziumbasierten Quantenchips von externen Materiallieferungen zu verringern, und bietet eine grundlegende Unterstützung für den Übergang von Quantenchips von der Labor-Bauelementverifizierung zur stabileren Herstellung von Engineering-Prototypen. Neben dem Quantencomputing hat hochangereichertes Silizium-28 auch Anwendungsperspektiven in Bereichen wie fortschrittlichen Halbleiterprozessen, hochpräziser Navigation und metrologischen Standards.
Das Team des Forschungsinstituts für Physik und Chemie der Kernindustrie der CNNC, das diesen Durchbruch erzielte, hat zuvor bereits die Produktion von 26 stabilen Isotopen von 12 Elementen, darunter Molybdän, Tellur und Nickel, realisiert und treibt kontinuierlich die Technik und Industrialisierung der Trennung stabiler Isotope voran. Stabile Isotope scheinen zwar ein vorgelagerter Materialbereich zu sein, beeinflussen jedoch direkt die Materialversorgungssicherheit mehrerer zukunftsweisender Industrien wie Quantencomputing, Nuklearmedizin, Hochleistungsprüfung, Präzisionsmesstechnik und fortschrittliche Fertigung. Nach der eigenständigen Massenproduktion von Silizium-28 wird das chinesische Industrieökosystem für stabile Isotope weiter verbessert, was auch eine kontrollierbarere Materialquelle für die Entwicklung von Quantenchips, Halbleitern und hochwertigen Anlagen bietet. Mit der weiteren Entwicklung siliziumbasierter Quantenbauelemente in Richtung hoher Genauigkeit, langer Kohärenzzeit und großflächiger Integration wird hochangereichertes Silizium-28 zu einem wichtigen Indikator für die Beobachtung der Materialfähigkeiten Chinas im Bereich der Quantenchips.