实用量子计算最持久的障碍之一并非处理器设计或纠错算法的问题，而是芯片内部原子产生的微观磁噪声。美国能源部本月宣布了一项突破性进展，从源头解决这一噪声问题，生产出同位素纯度达到任何市售替代品都无法比拟的超纯硅和锗前驱体材料。
这一成果由能源部同位素研发与生产办公室于7月20日宣布，是橡树岭国家实验室与太平洋西北国家实验室合作的结晶。橡树岭国家实验室采用了先进的电磁同位素分离技术（1998年退役的冷战时期卡吕特龙技术的现代化版本），从硅和锗原料中剥离了几乎所有引起磁噪声的同位素。所得到的硅28纯度达到99.9999%，有问题的硅29同位素被压低到百万分之一以下。
锗产品也取得了类似成果，引起噪声的锗73同位素同样降低到百万分之一以下。两种材料都比全球任何市售同类产品纯净至少100倍。
这对量子计算至关重要的原因在于量子比特保持其状态的方式。天然硅含有硅29，这种同位素的原子核带有磁自旋。当量子比特嵌入含有微量这种同位素的硅芯片时，它产生的磁波动会导致退相干，即量子态的逐渐丧失，而量子态使计算成为可能。消除硅29后，量子比特的工作环境变得磁安静，使其能够更长时间地保持相干性。
2014年的一项研究证明了这一原理，显示由高度浓缩的硅28制成的硅自旋量子比特展现出显著延长的相干时间。能源部的新工作使通过国内供应链在有意义规模上实现这一浓缩水平成为可能。
技术挑战并未止于同位素分离。浓缩材料在橡树岭国家实验室生产完成后，必须转化为硅烷和锗烷，即半导体行业用于在芯片上沉积超薄硅膜和锗膜的专业气体。这一转化步骤历来是同位素稀释的来源，精心的浓缩工作常因化学处理过程中的污染而功亏一篑。
太平洋西北国家实验室开发了新的化学转化和纯化系统以防止这种稀释。该实验室还现代化了热扩散同位素分离技术，实现了硅烷和锗烷气体的直接浓缩，这是保持同位素纯度直至最终产品的一个额外处理步骤。自动化安全系统监控数百个工艺变量以安全处理危险气体。
能源部的兴趣超越了量子计算。同样的浓缩方法可以生产其他量子关键同位素，包括用于离子阱量子计算和量子存储器应用的锗70、锗76和镱171。这一更广泛的能力恢复了美国在冷战时期卡吕特龙退役时失去的国内同位素浓缩能力。
眼前的挑战是将这一实验室规模的成果转化为商业量子器件的一致改进。研究人员仍需证明，用这些超纯材料制造的芯片能够在规模化条件下实现量子比特相干时间和门保真度的可测量增益。将生产扩展到工业级别需要持续投资，能源部已表示下一阶段工作将专注于简化制造工艺并进一步降低污染风险。
Sources: Silencing the Noise: DOE Unveils Breakthrough Domestic Silicon and Germanium Isotope Supply Chains (美国能源部，2026年7月20日); DOE Labs Achieve Major Breakthrough in Ultra-Pure Isotope Production (AZOQuantum，2026年7月20日); 99.9999% Pure: US Scientists Create Ultra-Clean Silicon for Next-Gen Quantum Chips (Interesting Engineering，2026年7月26日)
婷 翻译