中科院研发无液氦稀释制冷机为量子计算机提供极低温环境

绝对零度是热力学的最低温度，是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是仅存于理论的下限值，其热力学温标写成K，等于摄氏温标-273.15℃。液氦是氦的液化体。无色透明，无臭无味。临界温度(5.20K)和沸点(4.125K)最低。它可获得mK级的超低温，是一种最主要的低温源。具有性质：如在常压下永远不会凝成固体，没有三相点，只有当压力超过2.5MPa后才出现固相;存在入相变现象，在入点(2.1 72K)处比热、密度等都有突变;存在超流性、爬行膜现象和超导热性，粘滞系数接近于零。

日前，中国科学院物理研究所自主研发的无液氦稀释制冷机实现10mK以下极低温，该自主研发的无液氦稀释制冷机原型机实现10.9mK的连续稳定运行，满足超导量子计算需要的条件，单冲程运行模式可低于8.7mK，基本达到了国际主流产品的水平。

无液氦稀释制冷机是商业上可以买到的温度最低的制冷机，不需要液氦辅助就可以实现仅仅高于绝对零度0.01度的极低温，可以为量子计算机芯片提供用于维持量子态必需的极低温环境。2021年6月24日，中国科学院物理研究所自主研发的无液氦稀释制冷机原型机成功实现10.9mK(零下273.1391度，即绝对零度以上0.0109度)的连续稳定运行，满足超导量子计算需要的条件，单冲程运行模式可低于8.7mK(零下273.1413度，即绝对零度以上0.0087度)，基本达到了国际主流产品的水平。

稀释制冷机是一种能够提供接近绝对零度环境的高端科研仪器，在凝聚态物理、材料科学、粒子物理乃至天文探测等科研领域广泛应用。

稀释制冷机1951年H.London提出可以用超流4He稀释3He的方法制冷的理论。到1965年P.Das等人根据这一理论制成了3He-4He稀释制冷机，已达到1.8mK的低温。它可以长时间地维持毫K范围的温度，有较大的冷却能力，已成为获得毫K温度的最重要的手段和设备。稀释制冷机为量子计算机的正常运行提供必要的极低温环境，是量子计算研究中不可替代的关键设备。

3He，4He的混合液在0.86K以上时，液3He可以以任何比例溶解在液4He中，但是当混合溶液的温度降到0.86K以下时，混合液则分离成两相，其中含3He多的相称为浓缩相，而含3He少的相称为稀释相。在低于0.86K的任一温度都对应于一定的3He含量的稀释相和浓缩相，并达到相平衡。当从稀释相中取走3He原子时，为了保持两相的平衡，则由浓缩相中的3He通过相界面进入稀释相以补充被移去的3He原子。可以计算得3He在稀释相中的焓和熵比在浓缩相中要大得多。所以这种稀释过程需要吸热，利用这个吸热现象制成了稀释制冷机。

从稀释制冷机的结构图来看，包含相界面的室称做混合室，3He原子从浓缩相经过相界面进入稀释相要吸热而制冷，使温度降低。包含稀释相的自由表面的室称为蒸馏室，温度维持在0.6～0.7K。此时3He的饱和蒸气压远高于4He的饱和蒸气压，可以用抽气机抽走，这时浓缩相中的3He原子就不断地通过相界面进入稀释相，抽走的3He经过冷凝再补充到浓缩相中形成循环，使制冷机不断地运行。

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机，其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

新闻来源：中国科学院物理研究所