Le 15 juin, le groupe nucléaire chinois CNNC a annoncé que des scientifiques chinois ont réalisé une percée clé dans le domaine de l'enrichissement en isotopes stables, en parvenant pour la première fois à la production autonome en série de l'isotope silicium-28 avec une abondance supérieure à 99,99 %, les indicateurs clés du produit atteignant un niveau avancé au niveau international. Cette réussite, accomplie par l'équipe de l'Institut de recherche en génie physique et chimique du CNNC, marque des progrès substantiels dans les matériaux clés pour les puces quantiques à base de silicium, la préparation d'isotopes stables de haute abondance et la capacité d'industrialisation des isotopes stables.
L'intérêt du silicium-28 pour le domaine du calcul quantique réside principalement dans sa capacité à réduire les interférences sonores environnementales lors du fonctionnement des qubits. Le silicium naturel est composé de trois isotopes stables : le silicium-28, le silicium-29 et le silicium-30, le silicium-28 représentant environ 92,2 %. Dans les puces quantiques à base de silicium, le silicium-29, qui possède un spin nucléaire, peut affecter le maintien de l'état quantique et le temps de cohérence des qubits. Porter l'abondance du silicium-28 à plus de 99,99 % équivaut à fournir un environnement matériel plus « silencieux » pour les dispositifs quantiques à base de silicium, contribuant ainsi à améliorer la stabilité des états quantiques et à fournir une base matérielle pour la conception ultérieure de puces quantiques, la fabrication de dispositifs et l'intégration à grande échelle.
La difficulté de cette percée ne réside pas dans la purification chimique au sens ordinaire, mais dans la séparation de haute précision entre différents isotopes d'un même élément. Les propriétés chimiques du silicium-28, du silicium-29 et du silicium-30 sont similaires, ce qui rend impossible leur distinction efficace par des réactions chimiques conventionnelles. Il est nécessaire d'utiliser des techniques de séparation des isotopes stables pour modifier le rapport d'abondance des différents isotopes. Selon un responsable de l'Institut de recherche en génie physique et chimique du CNNC, le processus de purification du silicium-28 s'apparente davantage à la séparation de « haricots » de masses différentes, afin d'enrichir le silicium-28 dans le composant cible. La capacité à réaliser une production autonome en série avec une abondance supérieure à 99,99 % indique que les procédés de séparation, le contrôle des équipements, la stabilité du processus et la cohérence des produits sont entrés dans une phase d'ingénierie.
Le calcul quantique à base de silicium est considéré comme ayant le potentiel de se combiner avec les procédés matures de l'industrie des semi-conducteurs. Par rapport à certaines voies quantiques qui dépendent de systèmes de matériaux spéciaux, la voie du silicium est plus facile à relier au système de fabrication CMOS existant, aux équipements de traitement des plaquettes et à la chaîne industrielle des semi-conducteurs, à condition que la pureté des matériaux clés, la composition isotopique et la qualité cristalline répondent aux exigences des dispositifs quantiques. La production autonome en série de silicium-28 de très haute abondance contribue à réduire la dépendance de la recherche et du développement chinois en matière de puces quantiques à base de silicium vis-à-vis des approvisionnements en matériaux externes, et fournit également un soutien de base pour le passage des puces quantiques de la validation en laboratoire à la fabrication d'échantillons d'ingénierie plus stables. Outre le calcul quantique, le silicium-28 de très haute abondance présente également des perspectives d'application dans des domaines de pointe tels que les semi-conducteurs de procédés avancés, la navigation haut de gamme et les étalons de mesure.
L'équipe de l'Institut de recherche en génie physique et chimique du CNNC, qui a réalisé cette percée, avait déjà produit 26 isotopes stables de 12 éléments, dont le molybdène, le tellure et le nickel, et continue de promouvoir l'ingénierie et l'industrialisation des techniques de séparation des isotopes stables. Bien que les isotopes stables semblent appartenir au maillon des matériaux en amont, ils affectent directement la sécurité de l'approvisionnement en matériaux de plusieurs industries de pointe, notamment le calcul quantique, la médecine nucléaire, la détection haut de gamme, la mesure de précision et la fabrication avancée. Après la production autonome en série du silicium-28, le système industriel chinois des isotopes stables sera encore amélioré, fournissant une source de matériaux plus contrôlable pour la recherche et le développement de puces quantiques, de semi-conducteurs et d'équipements haut de gamme. Alors que les dispositifs quantiques à base de silicium continuent de progresser vers une haute fidélité, un long temps de cohérence et une intégration à grande échelle, le silicium-28 de très haute abondance deviendra un indicateur important pour observer la capacité de la Chine en matière de matériaux pour puces quantiques.