2026年7月16日——美国能源部（DOE）科学办公室下属的同位素研发与生产办公室（IRP）今天宣布，在该国稳定同位素富集与生产能力方面取得了重大的多实验室突破。通过橡树岭国家实验室（ORNL）和太平洋西北国家实验室（PNNL）的合作努力，美国开发出了开创性技术，能够生产出极高纯度的硅烷（SiH₄）和锗烷（GeH₄），这些产品极大地去除了会引入噪声的污染同位素。

“这一进展有望提升量子计算机的可操作性，并将帮助美国成为量子技术竞赛中无可争议的领导者，”能源部科学副部长达里奥·吉尔表示。“这是我们这一代人的太空竞赛，而凭借这一突破，我们不只是参与竞争——我们正在设定节奏。”

这些新型材料对同位素噪声的去除效果，比全球任何市售材料都要高出至少100倍。具体而言，ORNL和PNNL的技术分别将锗烷和硅烷中的污染同位素Ge-73和Si-29浓度降低至百万分之一（1 ppm）以下。此外，在硅烷中，Si-28的纯度达到了99.9999%。这一里程碑是提升量子计算机可操作性和相干时间的关键，有助于建立有韧性的国内供应链，并直接支持2025年行政命令“启动创世纪任务”的目标。

“多年来，量子超级计算的愿景一直被物理世界的微观噪声所阻碍，”IRP主任克里斯托弗·兰德斯说。“今天，我们已经让这种噪声沉寂。通过实现地球上从未见过的同位素纯度，我们正在美国本土亲手为世界上最稳定的量子计算机奠定基础。这不仅仅是渐进的一步；这是点燃下一次技术革命的火花。”

ORNL和PNNL在锗和硅富集技术上的突破

自1998年二战时期的经典电磁同位素分离器退役以来，美国一直缺乏规模化的国内稳定同位素生产。今天，国家正式重拾其领导地位。通过优化现代电磁同位素分离（EMIS）和热扩散同位素分离（TDIS）技术，IRP、ORNL和PNNL开发出远超冷战时期能力的富集系统。

利用两个能源部国家实验室的互补技术、能力和专业知识，对于生产量子计算所需的关键同位素至关重要。

ORNL采用EMIS技术进行富集

这一复兴的前沿是ORNL基于等离子体科学的EMIS技术，它能够在单次生产运行中同时分离和富集同一元素的多种同位素。EMIS技术在元素周期表中具有高度适应性，且单次通过富集能力极佳。使用市售原料，ORNL的EMIS系统能够实现对污染同位素的极高程度去除。例如，EMIS生产的锗产品中Ge-73含量远低于1 ppm。

“过去十年的研发投入不断优化了这些先进设备的性能，它们的多功能性和精度是无与伦比的，”ORNL稳定同位素项目组合经理艾伦·塔图姆表示。

IRP主任兰德斯指出，“凭借ORNL的这些能力以及PNNL的互补能力，IRP能够以前所未有的同位素和化学纯度，以及量子研究所需的物理形态，供应硅、锗及其他同位素。”

这种前所未有的效率使研究人员能够同时提取和生产高度富集的量子关键同位素，例如：

• 硅-28：用于支持无自旋半导体环境和下一代技术。
• 锗-70/76：用于量子计算。
• 镱-171：用于离子阱量子计算和存储应用。

PNNL的转化、纯化和TDIS富集技术

在PNNL，人们在化学转化和纯化同位素富集的量子相关材料方面取得了突破性进展。PNNL开发了高效、高纯度的反应系统，如今能够从其他化学形态（如SiF₄、GeF₄和GeO₂）的富集材料中生产硅烷和锗烷气体。在化学转化之后，再应用PNNL最先进的纯化系统，将硅烷和锗烷中的不想要的污染物降低至远低于1 ppm。这些气体是半导体行业在先进计算芯片和量子器件上沉积超薄硅和锗薄膜所必需的关键原料。

在IRP的指导下，PNNL最近还开发并部署了多个现代化自动TDIS系统，能够直接对硅烷和锗烷气体进行同位素富集。直接富集大大降低了因污染导致的同位素稀释风险。

“富集硅的同位素稀释是一个具有挑战性的问题，”PNNL项目首席研究员迈克·鲍威尔说。“但我们精心设计了我们的系统和处理流程，以确保从起始原料到最终的硅烷和锗烷产品都保持同位素纯度。”

在严格的安全规程下，PNNL开发了自动化控制系统，可监控数百个过程变量，以安全管理硅烷和锗烷的转化、纯化和TDIS系统。正在进行的研究旨在简化生产过程，最小化杂质风险，并确保获得目前市面上无法提供的超高稳定、超纯的前驱材料供应。

维系美国的技术优势

通过持续的基础设施投资、积极的研究以及与大学、私营企业和国家实验室的战略合作，能源部科学办公室正在为下一代技术奠定有韧性的基础。通过将ORNL的同位素富集突破与PNNL的先进化学处理和富集相结合，美国正在从原材料到最终微电子组件的整个链条上确保其技术领导地位。