中国量子计算机一直走在世界前列，有希望扭转类似芯片产业被限制那样的局面，这是大家都知道的。但在这个领域依然存在层层技术封锁，比如世界上最先进的超低温制冷技术是超导量子计算机绕不过去的坎，相关设备近期终于实现了国产化替代，这是又一个巨大突破。那这个技术牛在哪里呢？我是东城观星，再跟大家聊聊量子计算机相关的话题。

超导量子计算机需要在极低的温度下才能稳定工作，这个极低的温度是非常接近宇宙最低温度的。宇宙最低温度也叫绝对零度，超导量子计算机的工作温度只比绝对零度高出一丢丢，更贴切点说是只高一丝丝，用数字说是只比绝对零度高0.01摄氏度左右，而且是越低越好。这样的低温，听起来简单，实现起来极其困难，能维持这样低温的设备也属于人类能造出的最尖端设备。

通常，维持环境低温往往使用液氮或液氦，其中液氮的温度是零下196℃，液氦是零下268.9℃，液氦的温度可以说是工业上常用的最低温度，但这个温度仍然比绝对零度高4.2℃，用来冷却超导量子计算机仍然不够用。为了获得更低的温度，人类研发出了几种极低温制冷机。其中超导量子计算机专用的制冷机叫稀释制冷机。

这种稀释制冷机的原理说起来非常高深，但也能简单的理解一下。类似于海水冻冰的例子，海水就是一种盐水溶液，常温下盐可以大量溶解在水里面。但冬天海水冻冰的时候，并不是连盐一起冻住，而只是海水里面的水结冰。海水结冰越多，剩下的海水就越咸，总之，盐并不喜欢进入冰里面。

稀释制冷机里面也有一种溶液，叫做氦3氦4溶液。氦气的主要成分是氦4，但是，宇宙中还有一种氦同位素叫做氦3，也就是咱们经常说的月球土壤里面可以开采的核聚变燃料。在低温环境下，氦气可以变成液氦，只要温度够低，氦3和氦4都可以变成液态，这两种液体放到一起，就会混合起来形成溶液。

但是继续降低温度，氦3和氦4就不再那么喜欢在一起了，类似于海水结冰，氦3和氦4的液体会分离开，形成油水不相融的样子，但它俩又太像了，想完全分开又不太可能。这样就形成了两种液体，一种是氦3占主流的液体，一种是氦4占主流的液体，其中氦4液体密度大在下面，氦3的液体密度小在上面。虽然它俩分开了，但又做不到完全分开，上面的氦3里面有一点氦4，下面的氦4里面又有点氦3。

本来这是很正常的自然现象，但人类总能想到办法巧妙利用这样的自然现象为人类造福。发明稀释制冷机的科学家就想到了一种办法，利用它俩的特点，制造最牛的制冷设备。刚才说了，虽然在很低的温度下，氦3和氦4不能完全混合，分离成了两种液体，上面的液体氦3多叫做浓相，下面的液体氦3少叫做稀相，但做不到完全分离，它们之间存在一个平衡。科学家通过打破平衡来巧妙的改变温度。

他们把下面密度比较大的氦4液体通到真空室里面，让溶液中沸点更低的氦3蒸发。稀相的浓度就更低了，但这样就破坏了原本的平衡，为了维持平衡浓相中的氦3就会进入稀相补充损失。不过，氦3处在那么低的温度下，活动能力非常低，想进入稀相并不容易。这就有点像人才选拔，只有成绩比较高的才能选上。氦3要想能进入稀相就必须有更高的能量，它需要从周边吸收能量才能满足进入稀相的条件。这样就可以在温度本来就非常低的环境中继续吸收热量降低温度了，从而也就造出了最牛的制冷机。补充一点，其他的氦3能量被吸收了，温度更低了，进入稀相也就更难了，所以并不会全部过去。当然实际工作中，还需要把真空吸走的氦3再送回到混合液体里补充损失，要不然总有消耗完的时候，要知道，氦3可比普通液氦昂贵太多了，上千倍都不止。

这就是这种高精尖设备的基本原理。

超导量子计算机要想稳定工作需要极低的温度，制冷机能不能有效稳定制造这种极低温度是非常关键的。就像前面刚提到的，利用氦3氦4稀释制冷技术，可以实现接近绝对零度的温度。从原理上来说，也不算太复杂，但要想真正实现那样的低温，只有原理还不够，还需要生产出真正具有可行性的设备出来。

要知道，制冷机设备，可不像原理那样简单，任何细节考虑不周都有可能生产出来的设备无法满足要求。我们简单了解一下，报道中提到的几个关键环节，理解一下造出一台合格的制冷设备有多难。

首先，制冷机的真空泵会产生震动，震动会升高整个机器的温度。一般的震动对于普通低温来说，无关痛痒，但对于这里提到的极低温度来说，那是非常致命的，会造成温度永远都低不下去。为了减少震动的影响，必须使用软管技术，把震动和关键制冷部位隔离开。这里可不像大家想象的那么简单，接近宇宙最低温度，绝大多数固体都会变脆，而不是变软，同时，氦气穿透性极强，密封稍微差点就会跑出来，一般水管的那种密封是绝对挡不住氦气的，那选择什么样的材料和什么样的结构是关键。中国能造出来合格设备，至少说明相关技术已经有了突破，而且将来可以用到更多的领域。

其次，要充分考虑怎样把低温有效传递给超导量子芯片。只是能产生低温而不能有效传导出来是没有用的，而且还必须得尽可能高效传递出来才行。为了保证高效传递，制冷机的核心设备之一换热器必须做到高效传递热量。这里不仅需要选择导热性能最好的金属银来制造导管，而且还不能像水管那样做成完全中空的。导管内部实际上是类似海绵那样的结构，让冷却剂必须能尽可能大面积的接触导管，让热量更高效传输，同时还需要考虑不能阻碍冷却液正常流动，换热器内部结构直接影响最终产品性能。里面的海绵孔只有微米大小，比毫米还要小一千倍，怎样制造是非常考验技术的。

此外，必须让设备摆脱磁性的影响。磁性作用会改变温度，要想不受影响必须有效屏蔽磁性。要求关键部位金属材料本身是消除磁性的，这本来就非常困难，还要求做好整体的磁性屏蔽工作，这里面的难度只有相关工作人员才能体会。

当然，不管这个设备有多难，中国科研团队最终攻克了所有难点，造出了产品，达到世界先进水平。相关产品已经实现工业化生产，并且经受住了量子计算机半年的验证考验，说明中国完全掌握了这项技术，又攻克了一个卡脖子难题，值得尊重。

就介绍这么多，希望这些介绍对大家了解这项技术有帮助。

我是东城观星，关注我，定期给大家讲点高科技的知识。

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