量子计算机冷却技术原理

量子芯片要维持在接近绝对零度的极低温环境才能稳定工作，目前主流做法是“稀释制冷机+多级屏蔽”联合方案。

为什么要这么冷？

超导量子比特靠库珀对维系量子态。实验数据显示，高于30 mK时，热噪声就能破坏叠加态的相干性——这就像在狂风中撑伞，稍一松手伞就被掀翻。

我曾参观过北京量子院，工程师告诉我：“每升高1 mK，退相干时间衰减7%，所以温控必须像瑞士手表一样稳。”

“稀释制冷”是什么魔法？

自问：它真的把物质稀释了吗？
自答：实际是氦-3与氦-4两种同位素的相分离。当二者在0.7 K左右分层后，下层富集的氦-3持续蒸发带走热量，像“电梯”一样把热抽到冰箱顶部排掉。

• 一级热交换：铜镀金翅片，导热系数401 W/(m·K)。
• 二级吸附泵：活性炭包裹，捕获残余氦-3。

世界名著里的“冷”启示

《三体》写道：“弱小与无知不是生存障碍，傲慢才是。”同理，工程师对1 mK的傲慢就可能让量子门保真度从99.9%跌到60%。

三级防热屏障

即使稀释制冷机把芯片拉到10 mK，如果漏掉一路50 K红外辐射，前功尽弃。于是：

1. 50 K热屏蔽：镀金铝板，反射率>98%，阻断黑体辐射。
2. 4 K辐射屏：超导铌制成，本身不导热。
3. 磁屏：坡莫合金筒体，避免地磁与交通杂散场窜入。

清华团队把这三层装进一个直径80 cm的不锈钢圆筒，像俄罗斯套娃，层层锁热。

新手误区：冰箱≠空调

很多小白误以为“风冷”就够。真实情况是，稀释制冷机里没有风扇，完全依赖氦-3/4混合物的潜热吸收；而空调压缩机靠氟里昂的汽化潜热——二者热力学模型迥异。

工程师笑称：“如果你家用冰箱也想降到10 mK，电费能把电网拖垮。”

IBM的真实数据

2025年发表的一篇IBM Research论文透露：在127量子比特“Eagle”处理器中，整套制冷系统功率低于10 kW，却能让芯片温度稳定在8.5 ± 0.2 mK。换算下来，相当于把一座小城镇的供电压缩进一间机柜。

前沿突破：光子-声子耦合散热

MIT与哈佛联合实验把光声晶体微腔焊接在芯片背面，让晶格振动声子与红外光子纠缠后被导入光纤，在4 K区域排出，初步结果显示可再降低芯片工作温度2 mK。这一想法源于《西游记》“借芭蕉扇灭火焰山”：借外力而非硬拼。

下一步

业内普遍预测，2030年大规模量子计算将走向室温光子量子与极低温超导双轨并进。到时，稀释制冷机也许会像当年大型机冷机柜一样，成为博物馆的怀旧展品。