中國量子計算機一直走在世界前列，有希望扭轉類似芯片産業被限制那樣的局面，這是大家都知道的。但在這個領域依然存在層層技術封鎖，比如世界上最先進的超低溫制冷技術是超導量子計算機繞不過去的坎，相關設備近期終于實現了國産化替代，這是又一個巨大突破。那這個技術牛在哪裏呢？我是東城觀星，再跟大家聊聊量子計算機相關的話題。

超導量子計算機需要在極低的溫度下才能穩定工作，這個極低的溫度是非常接近宇宙最低溫度的。宇宙最低溫度也叫絕對零度，超導量子計算機的工作溫度只比絕對零度高出一丟丟，更貼切點說是只高一絲絲，用數字說是只比絕對零度高0.01攝氏度左右，而且是越低越好。這樣的低溫，聽起來簡單，實現起來極其困難，能維持這樣低溫的設備也屬于人類能造出的最尖端設備。

通常，維持環境低溫往往使用液氮或液氦，其中液氮的溫度是零下196℃，液氦是零下268.9℃，液氦的溫度可以說是工業上常用的最低溫度，但這個溫度仍然比絕對零度高4.2℃，用來冷卻超導量子計算機仍然不夠用。爲了獲得更低的溫度，人類研發出了幾種極低溫制冷機。其中超導量子計算機專用的制冷機叫稀釋制冷機。

這種稀釋制冷機的原理說起來非常高深，但也能簡單的理解一下。類似于海水凍冰的例子，海水就是一種鹽水溶液，常溫下鹽可以大量溶解在水裏面。但冬天海水凍冰的時候，並不是連鹽一起凍住，而只是海水裏面的水結冰。海水結冰越多，剩下的海水就越鹹，總之，鹽並不喜歡進入冰裏面。

稀釋制冷機裏面也有一種溶液，叫做氦3氦4溶液。氦氣的主要成分是氦4，但是，宇宙中還有一種氦同位素叫做氦3，也就是咱們經常說的月球土壤裏面可以開采的核聚變燃料。在低溫環境下，氦氣可以變成液氦，只要溫度夠低，氦3和氦4都可以變成液態，這兩種液體放到一起，就會混合起來形成溶液。

但是繼續降低溫度，氦3和氦4就不再那麽喜歡在一起了，類似于海水結冰，氦3和氦4的液體會分離開，形成油水不相融的樣子，但它倆又太像了，想完全分開又不太可能。這樣就形成了兩種液體，一種是氦3占主流的液體，一種是氦4占主流的液體，其中氦4液體密度大在下面，氦3的液體密度小在上面。雖然它倆分開了，但又做不到完全分開，上面的氦3裏面有一點氦4，下面的氦4裏面又有點氦3。

本來這是很正常的自然現象，但人類總能想到辦法巧妙利用這樣的自然現象爲人類造福。發明稀釋制冷機的科學家就想到了一種辦法，利用它倆的特點，制造最牛的制冷設備。剛才說了，雖然在很低的溫度下，氦3和氦4不能完全混合，分離成了兩種液體，上面的液體氦3多叫做濃相，下面的液體氦3少叫做稀相，但做不到完全分離，它們之間存在一個平衡。科學家通過打破平衡來巧妙的改變溫度。

他們把下面密度比較大的氦4液體通到真空室裏面，讓溶液中沸點更低的氦3蒸發。稀相的濃度就更低了，但這樣就破壞了原本的平衡，爲了維持平衡濃相中的氦3就會進入稀相補充損失。不過，氦3處在那麽低的溫度下，活動能力非常低，想進入稀相並不容易。這就有點像人才選拔，只有成績比較高的才能選上。氦3要想能進入稀相就必須有更高的能量，它需要從周邊吸收能量才能滿足進入稀相的條件。這樣就可以在溫度本來就非常低的環境中繼續吸收熱量降低溫度了，從而也就造出了最牛的制冷機。補充一點，其他的氦3能量被吸收了，溫度更低了，進入稀相也就更難了，所以並不會全部過去。當然實際工作中，還需要把真空吸走的氦3再送回到混合液體裏補充損失，要不然總有消耗完的時候，要知道，氦3可比普通液氦昂貴太多了，上千倍都不止。

這就是這種高精尖設備的基本原理。

超導量子計算機要想穩定工作需要極低的溫度，制冷機能不能有效穩定制造這種極低溫度是非常關鍵的。就像前面剛提到的，利用氦3氦4稀釋制冷技術，可以實現接近絕對零度的溫度。從原理上來說，也不算太複雜，但要想真正實現那樣的低溫，只有原理還不夠，還需要生産出真正具有可行性的設備出來。

要知道，制冷機設備，可不像原理那樣簡單，任何細節考慮不周都有可能生産出來的設備無法滿足要求。我們簡單了解一下，報道中提到的幾個關鍵環節，理解一下造出一台合格的制冷設備有多難。

首先，制冷機的真空泵會産生震動，震動會升高整個機器的溫度。一般的震動對于普通低溫來說，無關痛癢，但對于這裏提到的極低溫度來說，那是非常致命的，會造成溫度永遠都低不下去。爲了減少震動的影響，必須使用軟管技術，把震動和關鍵制冷部位隔離開。這裏可不像大家想象的那麽簡單，接近宇宙最低溫度，絕大多數固體都會變脆，而不是變軟，同時，氦氣穿透性極強，密封稍微差點就會跑出來，一般水管的那種密封是絕對擋不住氦氣的，那選擇什麽樣的材料和什麽樣的結構是關鍵。中國能造出來合格設備，至少說明相關技術已經有了突破，而且將來可以用到更多的領域。

其次，要充分考慮怎樣把低溫有效傳遞給超導量子芯片。只是能産生低溫而不能有效傳導出來是沒有用的，而且還必須得盡可能高效傳遞出來才行。爲了保證高效傳遞，制冷機的核心設備之一換熱器必須做到高效傳遞熱量。這裏不僅需要選擇導熱性能最好的金屬銀來制造導管，而且還不能像水管那樣做成完全中空的。導管內部實際上是類似海綿那樣的結構，讓冷卻劑必須能盡可能大面積的接觸導管，讓熱量更高效傳輸，同時還需要考慮不能阻礙冷卻液正常流動，換熱器內部結構直接影響最終産品性能。裏面的海綿孔只有微米大小，比毫米還要小一千倍，怎樣制造是非常考驗技術的。

此外，必須讓設備擺脫磁性的影響。磁性作用會改變溫度，要想不受影響必須有效屏蔽磁性。要求關鍵部位金屬材料本身是消除磁性的，這本來就非常困難，還要求做好整體的磁性屏蔽工作，這裏面的難度只有相關工作人員才能體會。

當然，不管這個設備有多難，中國科研團隊最終攻克了所有難點，造出了産品，達到世界先進水平。相關産品已經實現工業化生産，並且經受住了量子計算機半年的驗證考驗，說明中國完全掌握了這項技術，又攻克了一個卡脖子難題，值得尊重。

就介紹這麽多，希望這些介紹對大家了解這項技術有幫助。

我是東城觀星，關注我，定期給大家講點高科技的知識。

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