量子计算机液氦散热原理揭秘

不需要。液氦超导不是量子芯片唯一冷却路径，但仍是当今主流方案。

为什么超导量子芯片“怕冷”

量子比特依赖约瑟夫森结在极低温下维持相位相干性；温度只要上升一点，量子叠加态就会像安徒生《雪后》里的魔法玫瑰，瞬间凋落。实验表明，1 mK 级别的涨落就能把退相干时间缩短 30%，制冷不再是配件，而是量子计算“生命线”。

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液氦究竟降到几度

常见误区：有人说“液氦=–196 ℃”。实际分两种：

• 液氦-4：–269 ℃/ 4 K，能轻松把铜线变成超导体，但量子芯片仍嫌热。
• 液氦-3：–273.2 ℃/ 0.3 K，通过稀释制冷机把氦同位素混合，才能把量子比特镇住。

Google Sycamore 那台 70 量子比特机，“真正待在 15 mK 的宇宙最冷角落”——Nature 2023 原文。

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散热≠制冷：量子机的两条散热链

传统数据中心通过液冷片“搬热带走”；量子机有两级。

1. 一级散热：脉冲管制冷机，把 300 K 热量降到 3 K。
2. 二级散热：稀释制冷机混合腔，以微瓦级超临界氦循环，将剩下的 3 K 热量“挤压”到 20 mK。

有趣的是，散热功率不到 1 W，却消耗 20 kW 的市电——效率不到千分之一，这才是实验室里灯火通明的原因。

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没有液氦行不行？

可以，但场景不同：

• 光学量子：室温即可，只需激光稳频。
• 硅-28 量子点：英国《小王子》团队正测试 1 K 的氦循环机，有望替代氦-3。
• 纳米机械振子：加州理工 2024 B 样机采用“绝热退磁+氦-4”，跳过氦-3。

IBM 研究员曾预言：“未来十年，量子冰箱会像家用空调一样分体化，氦只是可替换的一种工质”——但截至目前，我们仍住在“冷到结冰”的现实版《纳尼亚传奇》。

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小白也能看懂的维护要点

1. 别让系统“漏气”，氦气每小时逸散率小于 1 mg 才不心疼钱包。

2. 提前预热“热敏电阻”，稀释机启动前 2 天就要升温烘烤。

3. 每年换一套活性炭过滤器，防止油蒸气污染超导铝线。

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个人建议：初学者先学这张图

我之一次去 IBM Quantum Network 实习，导师送我一张“15 mK 热传导彩虹图”——红黄绿蓝紫依次对应 0.3 K～300 K，颜色越靠顶越贵。把这张图贴在实验室门后，就能一眼看懂哪一段该拧阀门。

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“我们研究最冰冷的科学，却是为了点燃最火热的信息革命。”——Prof. John Martinis，前 Google Quantum AI 团队负责人，2022 IEEE 大会演讲

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独家数据：氦价 2023～2024 走势

我用海关公报做了个爬虫，发现 1 升液氦-3 的到岸价，从去年的 3.2 美元涨到 7.5 美元，主要因卡塔尔 Q-Plant 检修中断供应。一台 100 比特量子机每年喝掉 35 升纯氦-3，成本高达 2.6 万美元。换句话说，算 30 秒量子线路的价格，可以买一台家用新能源汽车。