Китай создал чистейший кремний в мире — и это может навсегда изменить вычислительные технологии

Китайская национальная ядерная корпорация добилась чего-то, что звучит обманчиво просто, но представляет собой одну из самых сложных производственных задач в современной науке: массовое производство сверхчистого кремния-28 с уровнем чистоты выше 99,99%. Это не тот кремний, который используется в ваших телефонах или ноутбуках. Обычный кремний — это природная смесь трех изотопов — кремния-28, кремния-29 и кремния-30 — смешанных на атомном уровне. Китайские ученые удалили почти все атомы этих других изотопов, оставив материал настолько чистый, что он входит в число самых чистых веществ, когда-либо произведенных человеком в реальных масштабах. Об этом достижении сообщила китайская газета «Наука и техника», где официальные лица представили его как создание независимой, контролируемой и эффективной отечественной изотопной системы — фабрики, построенной на века, а не как разовый лабораторный успех. Причина, по которой этот материал так важен, сводится к одному свойству: ядерному спину. Атомы кремния-29, рассеянные по всему обычному кремнию, несут ядерный спин, который действует как крошечные встроенные магниты. В обычной электронике это не имеет значения. Но в квантовых вычислениях, где кубиты существуют в хрупких квантовых состояниях, которые могут быть нарушены даже малейшим магнитным возмущением, этот фоновый шум вызывает декогеренцию — преждевременную потерю квантовой информации. Кремний-28 вообще не имеет ядерного спина, что делает его магнитно-неактивным и идеальным для создания кремниевых квантовых чипов, которые когда-нибудь смогут решать задачи, недоступные для любого обычного суперкомпьютера. Задача его массового производства связана с газовым центрифугированием — физически сложным процессом, использующим невероятно малую разницу в весе между почти идентичными атомами — разницу настолько малую, что это как сравнивать перо с пером, к которому приклеена одна песчинка. В течение десятилетий лишь несколько лабораторий по всему миру могли производить этот материал, при этом глобальные поставки были в значительной степени сосредоточены на предприятиях, в том числе и расположенных в России. Когда санкции нарушили международные цепочки поставок, исследователи квантовых вычислений по всему миру оказались не в состоянии получить необходимое им сырье. Помимо квантовых вычислений, сверхчистый кремний-28 имеет реальную ценность в передовом полупроводниковом производстве, где устранение изотопных вариаций позволяет чипам работать с меньшим нагревом, быстрее переключаться и расходовать меньше энергии. Он также играет роль в высокоточной метрологии — кремниевые сферы из кремния-28 использовались в международных усилиях по определению основных физических констант, таких как килограмм, — и в высококлассных навигационных системах для самолетов, подводных лодок и космических аппаратов. Этот прорыв позиционирует Китай как потенциального нового поставщика в области, где спрос быстро растет, что дает стране стратегическое преимущество в глобальной квантовой гонке наряду с Соединенными Штатами и европейскими странами. Хотя наличие сырья не означает создание работающего крупномасштабного квантового компьютера — остается множество сложных инженерных проблем — это устраняет реальное препятствие, которое годами сдерживало целую область исследований, и закладывает фундамент, который может оказаться решающим, если квантовые вычисления на основе кремния станут одним из путей к успеху.