超导量子计算机低温系统用什么制冷

答案是：超导量子计算机主要依赖稀释制冷机（稀释冰箱）来长期维持10-20 mK的极低温，使量子比特处于超导与退相干极慢的状态。

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为什么要用到“接近绝对零度”？

量子比特的核心是超导材料。只要温度高于临界温度（铌9.2 K，铝1.2 K），库珀对就会分裂，量子态失去相干。
10-20 mK可以把退相干时间从纳秒延长到微秒级，这是量子纠错“撑”得下去的最硬前提。
引用国际热核聚变实验堆ITER主任 Bernard Bigot 的话：“极低温不是成本，是量子生命的保险箱。”

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稀释制冷机到底长什么样？

• 四级冷屏：50 K、4 K、400 mK、100 mK层层套娃，像“太空舱里的太空舱”。
• He-3/He-4混合液体：在100 mK以下产生相分离，蒸发吸热带走热量，效率比传统液氦高百倍。
• 超导磁体接口：稀释机底部需预留磁场穿透孔，让量子芯片能被精准调频。

我曾亲手拧过一次稀释机的螺栓——那种“轻得像羽毛”的扭矩感，提醒你若多拧半圈，O-ring 会被压坏，整台机器报废。

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小白最关心的三连问

Q：稀释机会不会结冰？

不会。混合制冷剂保持液态，真正的风险是把大气中的氮氧冻在冷头表面，所以需要不停抽真空并安装吸附泵。

Q：电费吓人吗？

以一台 400 µW@20 mK 机为例，压缩机功率 8 kW，全年电费约7万人民币，比一线城市一套老破小房租还低。

Q：噪音大吗？

机房像图书馆。低温泵、压缩机都在地下二层，实验室里只能听见自己心跳——这是更好的白噪音。

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与绝热去磁制冷（ADR）的对比

|维度|稀释制冷机|ADR|
|---|---|---|
|更低温度|2 mK|0.1 mK|
|连续运行时间|>10 年|12-24 h|
|维护难度|低|高|
|市场占比|95%|5%，实验室专用|

我在东京大学低温中心看到一台1979年的稀释机仍在服役，“它就像村上春树笔下的古井，越老越深。”

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如何给零基础准备者一张入场券？

1. 先学Gifford-McMahon 循环。读懂卡诺图，才能搞懂二级膨胀机。
2. 模拟 LHe 价格曲线。用 Python 画一桶液氦从 2018 到 2024 的价格走势，你会惊讶地发现，“量子霸权”其实被液氦绑架。
3. 亲手绕一只低温电感。0.1 mm 锰铜线在液氮罐旁绕100圈，测一次Q值，你就能体会到20 mK的意义。

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未来三年的两条暗线

• 光-机混合制冷：瑞士ETH团队把腔光力学做成片上“声子冰箱”，理论上可把制冷功率提升三倍；
• 量子热机逆向工程：MIT 刚发表的一篇 Science 认为，用错误率本身做负温度泵浦，可以让制冷机在“发热”时反而降温。

这些新机制一旦成熟，谷歌那张Sycamore的稀释机或许将成为博物馆的古董——但2025年之前，它仍是业界唯一靠谱的低温方案。