計量論壇

絕對零度是冰冷的極致，是一個理想的、無法達到的最低溫度。長期以來，科學家們向著這個目標發(fā)起了一次又一次挑戰(zhàn)。

7月12日，記者從中國科學院物理研究所獲悉，該所自主研發(fā)的無液氦稀釋制冷機成功實現(xiàn)10mK(絕對零度以上0.01度)以下極低溫運行。這標志著我國在高端極低溫儀器研制上取得了突破性的進展。

物理所10mK原型機全貌。圖片來源：中國科學院物理研究所

稀釋制冷機是一種能夠提供接近絕對零度環(huán)境的高端科研儀器，在凝聚態(tài)物理、材料科學、粒子物理乃至天文探測等科研領域廣泛應用。無液氦稀釋制冷機是商業(yè)上可以買到的溫度最低的制冷機，不需要液氦輔助就可以實現(xiàn)僅僅高于絕對零度0.01度的極低溫，可以為量子計算機芯片提供用于維持量子態(tài)必需的極低溫環(huán)境。

“有別于傳統(tǒng)的依賴液氦輔助降溫的濕式稀釋制冷機，無液氦稀釋制冷機無需液氦供應，樣品空間大，連續(xù)運行時間長且運維方便，在最近十年迅速普及并成為市場主流。”中國科學院物理研究所副研究員姬忠慶說。

量子計算是當前世界各國科技競爭的主戰(zhàn)場，稀釋制冷機為量子計算機的正常運行提供必要的極低溫環(huán)境，是量子計算研究中不可替代的關鍵設備。“目前，我國此類儀器完全依賴進口，是亟待攻破的關鍵核心技術。因此，研制國產無液氦稀釋制冷機迫在眉睫。”姬忠慶坦言。

作為中國低溫實驗技術和低溫物理研究的發(fā)源地，中科院物理所早在上世紀70年代末就研制成功了我國第一臺濕式稀釋制冷機，實現(xiàn)了34mK(零下273.116度，即絕對零度以上0.034度)的極低溫。面對新一輪量子科技競爭的新形勢，該所研究團隊再一次組織力量聯(lián)合攻關，完全自主研制國產無液氦稀釋制冷機。

“在歷時兩年半的研發(fā)過程中，我們攻克了低溫設備焊接工藝難題，解決了長期困擾的冷漏、超漏問題，在核心的極低溫高效熱交換器制作過程中，測試評估了大量材料和多種設計方案，攻克了盤管熱交換器和銀粉熱交換器等多項核心技術難題。”姬忠慶說。

最終，在2021年6月24日晚，該所自主研發(fā)的無液氦稀釋制冷機原型機成功實現(xiàn)10.9mK(零下273.1391度，即絕對零度以上0.0109度)的連續(xù)穩(wěn)定運行，滿足超導量子計算需要的條件，單沖程運行模式可低于8.7mK(零下273.1413度，即絕對零度以上0.0087度)，基本達到了國際主流產品的水平。

姬忠慶表示，新研制的無液氦稀釋制冷機原型機在解決量子計算“卡脖子”問題，加快科技自立自強上邁出了關鍵的一步，掌握稀釋制冷核心技術標志著我國具備了為量子計算等前沿研究提供極低溫條件保障的能力。

“未來，物理所研究團隊將進一步優(yōu)化無液氦稀釋制冷機相關技術，固化工藝流程，正在建設中的新一代制冷機將在易用性和穩(wěn)定性方面達到進口產品水平，為我國的量子計算實驗前沿研究提供有力支撐。”姬忠慶說道。中人社傳媒