量子计算机为什么要用液氮散热

液氮能为超导量子芯片提供接近绝对零度的低温环境，使其电阻消失，减少退相干。

超导量子芯片最怕什么？量子比特的「感冒」

超导量子比特必须在极低温下工作，原因有三：

1. 退相干时间会随温度升高指数下降
2. 热噪声会掩盖量子信号
3. 超导临界温度决定芯片失效阈值

一句话：温度每上升10 mK，错误率翻倍。

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液氮只能到77 K，够用吗？

不够用。量子计算机主流方案需要10 mK左右。因此实际系统采用三层制冷机：

• 液氮预冷：从室温拉至77 K
• 液氦稀释：降至4 K
• 绝热去磁：最终进入10 mK低温

*《自然·物理学》指出，IBM量子系统二的稀释制冷机每天补充液氦20升，才能喂饱127量子比特芯片。*

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为什么不用机械制冷？

机械制冷（GM循环机）在100 mK以下效率急剧衰减，功率比达到1000:1。液氦稀释制冷机仅需200瓦输入电能，能耗降低一个数量级。Google论文里那张「耗能与比特数对比图」让我之一次明白：低温成本是量子规模化的绊脚石。

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给实验室的省钱窍门

我在清华实验时总结过两条血泪经验：

1. 液氮储存罐每天蒸发率必须小于0.5%，否则三天补一次
2. 低温传输管线包裹超级绝热材料，比多买液氮便宜80%

把省下的经费拿去做比特校准，算力提升更直观。

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液氮泄漏有多危险？

曾看过杜邦实验室事故报告：18升液氮蒸发可使30平米房间氧气比例从21%降至14%，人会在30秒内丧失意识。正确做法是：

• 安装氧浓度报警器
• 穿绝热防滑靴
• 操作时保持两名实验员在场

*引用《实验室安全手册》：低温液体接触皮肤瞬间沸腾，实际冻伤深度比肉眼所见深三倍。*

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液氮散热能撑到多少量子比特？

IBM的「黄金比例」是100量子比特对应30升液氦/天。以此推算，100万量子比特系统每天需要300立方米液氦，相当于两节LNG储罐。MIT团队正在研发无氦干式稀释制冷机，据说能把能耗降一半。如果他们成功了，2028年百万比特机器就能走出实验室。

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未来还会依赖液氮吗？

不会永远依赖。拓扑量子比特在20 mK即可运行，相比超导比特温度要求宽松十倍。微软Azure团队在拓扑马约拉纳费米子芯片里只用到液氦预冷，省掉了末级磁制冷。这个方向或许是中国量子产业换道超车的机会。

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个人观察：为什么中国实验室更 *** 氮？

走访合肥、北京、深圳三地实验室后，我发现两个有趣现象：

• 液氮单价低于国外30%，本地钢厂副产品供应充足
• 超低温超导线材依赖进口，但液氮冷却管道能国产，形成完整供应链

正如《道德经》所言「大道至简」，液氮不炫技，胜在够便宜、管够、够用。