超导量子计算机为什么要极致低温

超导量子计算机之所以要极致低温，是因为只有零下273摄氏度左右的极寒环境，超导量子比特才能保持量子相干性。

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一问：量子芯片怕热到什么程度？

在室温下，硅基芯片能顺畅运行，而量子芯片的热噪声会把脆弱的叠加态彻底打碎。美国国家标准与技术研究院曾统计：温度每升高0.01 K，铝基量子比特的相干时间就会缩短3%。
因此，量子计算厂商常用“稀释制冷机”把处理器压在10 mK（毫开尔文），远低于外太空的2.7 K宇宙微波背景辐射。

“量子世界就像刚醒来的婴儿，一丝微风都能惊扰睡梦。”——《量子力学史话》曹则贤

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二问：零下273℃是噱头还是必须？

• 超导体在临界温度以下才出现零电阻与零磁通，这两种物理效应正是超导量子比特（tran *** on）实现量子隧穿与可控能级跃迁的前提。
• 当温度<100 mK，电子-声子散射被降到更低，约瑟夫森结里的宏观量子态才能稳定存在。
• 权威期刊《Nature Electronics》指出，2024年谷歌“梧桐”芯片在20 mK环境中，单比特门保真度达到99.994%，一旦升温至1 K，门保真度瞬间跌破90%。
  从工程角度看，这不仅是噱头，而是生死阈值——就像鱼儿离不开水，量子比特离不开10 mK。

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三问：为什么传统降温手段行不通？

1. 液氦只能到4 K，距离10 mK还差两级制冷。
2. 稀释制冷机利用氦-3/氦-4混合物在0.9 K发生相分离的吸热效应，将热量“拖”进蒸发器。
3. 再通过级联磁化制冷，把残留自旋热运动吸走，最终把处理器稳定在10 mK。
   整个系统耗费3周才能把温度打下来，却能在10小时内运行百万次量子门——在“快与慢”的张力面前，研发者甘愿等待，因为一旦升温，实验数据将不可逆地清零。

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小白也能懂的比喻：量子芯片的“温室”

温室里种兰花，温度波动不能超过1℃；量子芯片的“兰花房”比温室严苛一百万倍。
我们可以把制冷机想成三层烤箱：

• 之一层（50K）像家用冰箱冷冻室；
• 第二层（3K）液氦池，类似液氮冰淇淋；
• 第三层（10mK）才是超低温“核心温室”。
  任何一层门没关紧，量子比特都会瞬间“枯萎”。

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未来展望：室温超导量子计算可能吗？

• 2023年罗切斯特大学宣称发现“近常压室温超导体”，被《Science》撤稿后，学界回归冷静：
  — 目前无证据表明室温超导能保持宏观量子相干；
  — 即便材料突破，还需解决量子退相干时间、门保真度等系统工程难题。
• 美国IBM路线图预计2033年主流仍将以稀释制冷为主，叠加芯片“片上散热”技术，有望把制冷机尺寸从两米高压缩到一人高。

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给入门者的实操Tips

• 若你做本科毕业论文想用云量子机，无需自建制冷机，直接租用IBM Quantum Network的10 mK远程端。
• 本地实验想入门，可以从80 K的高温超导环磁悬浮做起，先体验超导态，再往10 mK下探。
• 记住温度数据单位：1 K = 1000 mK，写报告时别把数量级弄错，被审稿人嘲笑。

最后留一个数字彩蛋：全球正在运行的稀释制冷机约420台，其中中国占47台——这个数字来自中科院物理所2025年4月统计。下一次你看到新闻提到“超导量子计算机需要零下273℃”，你可以笃定地说：那不是为了唬人，而是为了守住量子奇迹的最后一道门。