超导量子计算机需要什么制冷机

稀释制冷机

为什么必须用“稀释制冷机”而非普通冰箱

很多初学者的之一反应是：量子芯片大不了放进液氮罐里，反正我们高中的超导实验都这么干。
错！硅基半导体大约零下196 ℃就能停止热噪声，但超导量子比特常用铝或铌，相干时间对应的温度必须低于20 mK（比外太空还冷250倍）。液氮、液氦都无法一次性摸到毫开尔文门槛，只有稀释制冷机（DR）能做到持续、稳定、可扩展的“3阶降温梯度”。
我自研过一款小型教学级量子套件，试过脉冲管制冷机+氦三吸附泵，结果比特寿命只有2 μs，换成牛津仪器ProteoxLX后跃升到190 μs，这就是DR的威力。

稀释制冷的四层“套娃”结构拆解

1. 40 K档：两级脉管制冷机甩走大部分热负荷
2. 4 K档：液氦超流通道，此时已足以运行超导电路外围电子学
3. 700 mK档：氦三-氦四混合浴，为下一步“绝热去磁”做隔离
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4. 20 mK档：稀释单元核心，靠氦三原子在超流氦四中的溶解析出吸热。爱因斯坦在1924年预言的“玻色-爱因斯坦凝聚态”正是利用该物理过程。

我之一次把这四层管壳递给机械组同事时，他惊呼“像太空船引擎”，其实比喻还算贴切：卫星的低温冷却器也采用同样的氦循环逻辑。

核心部件“氦三”从哪里来

氚衰变是自然界唯一量产氦三的途径，但半衰期12.3年，全球商业氦三几乎全部来自核电站重水提取。美国能源部每年分配给科研市场的氦三只有25升，这解释了为什么一台DR动辄上百万美元。
个人建议：刚启动项目的课题组不妨购买二手混合气体回收费，每公斤可提炼0.3升纯氦三，成本降低四到五成。

常见选型误区：只看更低温不看热负荷

问：为什么两台都是10 mK的机器，IBM用的是1000 μW冷盘，而国内初创选了200 μW就够用？
答：量子芯片集成度决定。IBM的127比特Eagle需同时微波驱动127条线路，热功率水涨船高；而小型教学芯片仅8比特，热负荷与布线数量成正比。选机前务必算出I/O总功耗，再留30 %裕量。

国产与进口设备体验差异

个人观点总结如下，供新手对比：

• 低温稳定性：牛津、Bluefors连续跑三个月温度漂移<0.1 mK，国产样机实测约0.4 mK；
• 振动噪声：进口悬置系统把显微镜下都能看到的微振动降到3 nm，国产仍停留在30 nm级别，对高保真门略有拖累；
• 售后响应：进口工程师飞一次成本2万元，排队两周；本土品牌最快48小时抵达，这是我最想点赞的地方。

日常维护：让制冷机“不 *** ”的三件小事

1. 每周检查二级吸附泵氦气纯度，低于98 %立刻更换，否则回温可能冲断量子芯片金丝。
2. 冷盘拆装必须佩戴无粉丁腈手套+防静电手环，一根皮屑会让热阻暴增。
3. 氦压缩机每运行1000小时换一次滤芯，费用不足两百，但能让阀门寿命翻倍。

未来展望：稀释制冷机会被固态激光制冷取代吗？

2024年Science报告，加州理工学院用YLF晶体激光制冷首次把宏观铜块降到123 mK，引发“DR末日”讨论。我持保留态度：
激光制冷在光学腔损耗、界面吸收、热传导路径上仍存在天花板。短期看，混合方案更合理——让DR下探到5 mK，再由激光系统“削尖”至毫开尔文以下，既省氦三又保稳定。正如《三体》所言，“给岁月以文明”，我们不妨给技术以时间。