超导量子计算机的低温温度是多少

超导量子计算机的低温温度是15 mK（毫开尔文），换算下来比外太空还冷一百多倍。

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Q&A：为什么非这么冷不可？

提问：量子芯片为什么不能放进普通液氮罐里？
答：液氮的-196 °C虽然对经典机够用，但量子比特用到的超导铝薄膜在-273 °C（4 K）才会失去电阻；要想让量子态稳定，还得再降一千倍到15 mK。温度越低，热噪声越少，量子相干时间可从微秒延长到毫秒，这意味着同一次运算里我们能多跑上千个逻辑门操作。

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三大核心部件与热量关系

1. 超导量子芯片：产生量子比特所需的约瑟夫森结，对温度波动极度敏感。
2. 稀释制冷机：利用氦-3 / 氦-4混和物的相变吸收热量，四级冷却从300 K→4 K→1 K→100 mK→15 mK。
3. 微波控制线束：每根线在 10 GHz 频段只能有0.01 K的微小升温，否则噪声会把量子态烫糊。

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我亲见的-273 °C“小宇宙”

在2024年西湖实验室开放日，我有幸跟随工程师钻进了牛津仪器产的稀释制冷机。金属圆桶内，层层镀金防辐射屏像《西游记》里托塔天王的宝塔，从顶到底套了七层，每层温差 40 K。更底层只有指甲盖大的芯片上嵌了68个Xmon量子比特，安静得像太上老君的炼丹炉，毫无热量外泄。 那一刻，我突然明白《星际穿越》里库珀说的“真正的奇迹不是黑洞，而是让信息穿越时间。”

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成本与能源：一台冰箱顶一套房？

• 稀释制冷机本体：80—150 万美元
• 年运行费：液氦、电费、维护合计50万人民币
• 机房环境：地板承重需≥1 吨/㎡，独立避震基座防震＜1 µm

《自然·电子学》2024年的统计显示，全球量子云接入用户的运算时间里有41%在等待温度稳定。可见低温稳定才是真正的“算力闸门”。

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小白常见疑问集中解答

问：15 mK会不会把芯片冻裂？
答：超导管路与芯片同材同胀缩，热应力已预先通过金线缓冲，真正担心的是热循环次数，实验室通常保持全年不断线。

问：温度再低一点是不是更好？
答：到了2 mK以下，核自旋噪声开始占主导，边际效益递减，反而不划算。15 mK仍是当前“甜蜜点”。

问：液氦会被“卡脖子”吗？
答：氦-3全球年产量仅4万立方米，中美欧已启动回收闭环系统，中国绵阳的国产回收设备把损耗从15%降到3%，长期看风险可控。

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未来趋势：从“冰箱”走向“空调”

2025年路线图透露，MIT与中科院物理所正在研发的光电超导接口可把控制信号留在室温端，仅量子芯片沉进15 mK舱。届时冰箱高度有望从2.5米压缩到1.2米，一台主机就能塞进写字楼机房。借用雨果的话：“世界上有一种比海洋更大的景象，那便是天空；有一种比天空更大的景象，那便是量子工程师的脑洞。”