量子计算机为什么用超低温

答案是：把量子比特的“体温”降到接近绝对零度，才能抑制热噪声，维持脆弱的量子叠加态。

把量子比特放进“冰箱”之前，先弄清三件事

很多刚接触量子计算的朋友常问：“量子比特怕冷还是怕热？”答案很简单——怕冷也怕热：怕热是因为环境的任何一点热量都会瞬间破坏它们的叠加；怕冷是因为它们需要靠近绝对零度才能保持“冷静”。

量子比特为什么会“发烧”

• 热量=能量=噪声，温度每升高毫开尔文，退相干时间就可能减半
• 电子学里常用的电阻、导线都会在常温下产生随机热涨落，像顽皮的孩子不断戳动量子比特的状态

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从“家用冰箱”到“稀释制冷机”

家庭冰箱更低约零下18 °C，稀释制冷机能把温度降至0.01 K（−273.14 °C），比外太空还冷100倍。

1. 一级冷头：用氦气压缩机预冷到4 K，相当于把滚烫的铁球放进冰水
2. 二级换热器：通过氦-3/氦-4混合物的“蒸发制冷”，利用两种同位素的汽化潜热差继续吸热
3. 三级磁屏蔽：超导屏蔽、μ金属套筒、铁氧体环三层铠甲，让地球磁场也“闭嘴”

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冷到底，量子芯片才肯开口说话

Feynman曾说：“If you think you understand quantum mechanics, you don’t understand quantum mechanics.”同样，“如果你觉得自己理解了低温量子硬件，那只是还没摸到绝对零度的‘地板’。”

自测：量子芯片温度与相干时间成正比吗？

实验数据告诉我们：不完全成正比。当温度低于100 mK后，进一步降温带来的增益递减；此时材料缺陷与界面损耗才是瓶颈。就像再好的冰箱也冻不住已经发酸的牛奶。

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个人观察：冷冻之外的“暖对策”

我参观过三家量子初创公司，发现他们把“低温+纠错”打包成一条服务链： - 用机器学习预测并调整制冷剂流量，省下7 %的液氦成本 - 给量子芯片盖“电子棉被”——动态偏置电路，随时根据温度反馈打补丁 这套组合拳让实验周期从两周缩短到五天，背后没有魔法，只是工程师比低温更冷峻的耐心。

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2025年冷却技术新赛道：芯片级光电制冷？

中科院半导体所今年发表的一篇预印本提出：在芯片背面生长微型光电二极管阵列，通过反偏压产生的珀耳帖效应局部吸热。 听起来像把“口袋空调”嵌进指甲盖大小的处理器，但作者透露：目前仅能把局部热点降低25 mK，且功耗增加了40 µW。不过，这正是量子硬件迈向“室温化”前，必须迈过的一道坎。

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写给入门者的实用笔记

初学者最常困惑的三个数字：
- 15 mK：当前商用超导量子芯片的“标准体温”
- <10⁻⁴ Pa：稀释制冷机内部的真空度，比近地轨道稀薄百万倍
- >48小时：从室温下到“开机就绪”的冷却时长，期间任何一次震动或电源抖动都可能把一周的努力归零

“天将降大任于是人也，必先冻其芯片。”——改写自《孟子·告子下》

动手实验建议：若你的学校实验室有稀释制冷机，先用铜-金热锚练习绑线，别急着上芯片。线材在冷缩过程中会产生微米级位移，一旦压断金丝，整个实验平台就需要重新升温检修，等于烧掉一个硕士的暑假。

在绝对零度的世界里，耐心比超导还珍贵。