量子计算机为什么要用冷冻技术降温

零下273℃，接近绝对零度，是目前通用量子芯片的日常工作环境；若失去这种极致低温，量子叠加与纠缠将瞬间瓦解。

初学者三连问：什么是量子比特？为什么怕热？冷冻机怎样工作？

• 量子比特(Qubit)相当于一枚会旋转的硬币，可同时处于正面、反面及叠加态。
• 任何高于15mK（毫开尔文）的热振动都会“踢倒”硬币，叠加坍缩成确定值。
• 商用稀释制冷机利用氦—氦混合液体的多级蒸发，逐级抽走热量，像四层折叠式抽油烟机一样把“暖意”吸光。

一图胜千言：冷冻层级示意图（纯文字版）

室温300K → 一级冷头70K（类似液氮）
           → 二级冷头4K（氦四沸腾）
           → 三级冷头0.7K（氦三循环）
           → 混合室15mK（量子芯片所在）

我在实验室里之一次触摸铜制冷指时，手指仅用棉手套防护，3秒就冻得发麻；而芯片却在此安然躺平，量子纠缠寿命因此从微秒级飙升到百微秒级。

为何不用家用冰箱？——能量噪声差异

家用压缩机靠机械活塞震动，噪声谱密度约10⁻¹⁵ W/Hz；稀释制冷机的磁悬浮脉冲管涡轮机噪声低五个数量级。噪声越低，读出保真度越高，IBM量子云给出的最新数据：在15mK下CX门错误率低至0.1%，而100mK就飙到0.7%，七倍的差距直接决定算法能否跑完。

权威引用：费曼的远见

“如果你想造一台物理系统来真实模拟量子力学，你更好在低温里做，因为那样能保留量子相干性。”——《物理学与计算》，理查德·费曼，1981年。

当年演讲时台下用的是旧式液氦浴，今天我们已经能把整座“冷海”塞进一个与单人衣柜差不多大的金属柜。

中国方案：稀释制冷机国产化进展

中电科十六所于2024年发布的“麒麟-3000”样机，更低温8mK，连续运行168小时无断链，已在小规模超导量子处理器上验证。个人判断：国产化后整机成本有机会从600万元降到200万元以内，加速高校入场。

小白实验：在家体验“概念冷却”

买一块干冰放在金属盆上，用手捏一粒芝麻轻轻触碰——你会听到“吱”一声，这便是瞬间冻结的声响，类比芯片被噪声撞毁时量子信息蒸发那一瞬间。虽然温度只到-78℃，却足够让你在厨房理解15mK的珍贵。

未来趋势：光量子与冷冻脱钩？

潘建伟团队在2025年《Nature Photonics》报道，硅光量子芯片可在4K温度下运行单光子门操作且保真度98%。若后续能把“光学量子”做成室温器件，冷冻不再是必需品，但超导量子仍将在极低温段领跑至少十年。

独家洞察：别忽视“低温工程师”的岗位缺口

在 *** 站上搜关键词“稀释制冷”，2024年年底的职位数量同比翻番，开出年薪60万的比比皆是；“懂量子的人千万，能修Coldhead的人却不到一千”。如果你擅长机械、低温或真空，不妨把职业雷达调向这条冷门赛道。