遭某国技术封锁！拿了两次诺奖的它，是一台“冰箱”？

入秋以来，想必大家都或多或少感到了些许寒意。

比起地球带来的低温，人类明显并不满足于此——如何变得冷一点、再冷一点，让热运动慢一点、再慢一点，直到接近温度的极限？

人类对绝对零度的探索

比遥远星际空间还要冷的地方在哪里？答案可能就在地球的某个实验室里。

在极低温的世界里，有的金属会变成“超导体”，连光的速度都会变慢——为了探索世界更多面目，科学家们必须制造出宇宙中最寒冷的环境。

宇宙微波背景辐射（2.7K）

相比宇宙微波背景辐射（约2.7K）、液氮温度（77K）、液氦温度（4.2K），稀释制冷机可以达到毫开尔文（mK）甚至微开尔文（μK）级别的温度。稀释制冷技术，就是科学家创造出的“超低温奇迹”。

为什么追求极低温？

温度，是微观粒子热运动剧烈程度的表现，粒子运动越剧烈，温度越高；粒子越“懒散”，甚至接近静止，越接近绝对零度，即0K（开尔文）。但根据热力学第三定律，绝对零度是不可达到的，所以科学家们只能想办法努力接近它。

小学二年级学过的热力学第三定律

为什么我们需要极低温？低温是打开量子世界大门的钥匙。

在常温下，粒子的热运动过于剧烈，掩盖了许多奇特的量子现象（如电子配对形成超导、原子无阻力流动形成超流、量子纠缠等），只有当温度降到足够低，热运动被极大抑制，这些量子效应才能展现出来。

极低温的具体应用包括量子计算、天文物理等等。

量子计算依赖于量子比特的稳定状态，而热量会产生噪声，破坏量子态。所以我们必须把温度降到极低，才能让量子计算机正常工作。

高精度天文卫星所携带的探测器需要在极低温环境下工作，“空间准绝对零度超低温热管理技术”是中国航天大会发布的宇航领域科学问题和技术难题之一。

空间准绝对零度是指无限接近热力学的最低温度，是粒子动能低至量子力学无限接近最低点时物质的温度。空间准绝对零度超低温热管理技术是面向宇宙微弱信号超高灵敏度探测感知亟需的关键技术。该技术突破将对探测宇宙微弱信号，了解宇宙起源和探寻外星生命具有重要意义。

凝聚态物理、超导电子学和化学生物学研究等领域也同样对极低温环境有所追求。

通过稀释制冷机实现的极低温，已被用于大量重大的科学进步，有两项物理学诺贝尔奖是基于使用稀释制冷技术的实验获得的。

1971年，道格拉斯·奥谢罗夫 (Douglas D.Sheriff)、戴维·李 (David M.lee)和罗伯特·里查森 (Robert C.Richardson)使用稀释制冷机发现了氦-3的超流动性，他们于1996年获得了物理学诺贝尔奖。

1996年诺贝尔物理学奖获奖者

低温小组实验日志摘要

1981年，罗伯特·劳克林(Robert Laughlin)、霍斯特·施托默(Horst Störmer)和崔琦(Daniel Tsui)使用一台顶部装载混合物（TLM）的稀释制冷机发现了分数量子霍尔效应。对分数量子霍尔效应的研究也于1998年获得了物理学诺贝尔奖。

从左至右分别为劳克林、施特默、崔琦

分数量子霍尔效应

如何实现低温？

从古至今，人们为了实现低温，采取了许多方法。

我们最常见的制冷设备——冰箱，采用蒸汽压缩制冷循环，通过制冷剂在液态和气态之间的相变过程，吸收和释放热量，其包括压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程。一般适用于温度最低至-40℃左右的家用场景。

冰箱的工作原理

温度再低一些，可以使用液氮或者液氦获得低温环境。液氮的沸点约为77K、液氦的沸点约为4.2K，液氮或者液氦需要通过杜瓦储存，杜瓦瓶的两层器壁之间有一个真空夹层，能够有效避免热量散失。

灌液氮场景（小编实拍）

温度再低一些，接近绝对零度，就需要采用别的方式了，除了本文将要介绍的稀释制冷技术，还有绝热去磁制冷技术。

这是利用温度和外磁场同时调控磁矩体系的熵来实现的。当外界磁场为零时，制冷剂的磁矩排列是无序的，等温增加磁场可以使磁矩的排列趋于一致，熵减少，体系的温度降低；再在绝热条件下降低磁场，制冷剂从周围环境吸收热量，磁矩再次变得无序，从而使环境温度进一步降低，这种方法能够把温度降到μK的量级。

绝热去磁原理

如上文所述，液氦具有很低的沸点。氦元素有3He和4He两种同位素，地球上存在的氦主要成分是4He。但是由于4He在极低温下存在超流现象，即在极低温下，4He会形成一层液膜沿着容器壁向上爬，这样就会产生蒸发和漏热，限制了4He蒸发制冷所能达到的最低温度；而3He不存在这一问题，其蒸发制冷可以获得更低的温度。

于是，1951年, London最早提出利用3He在4He中的溶解过程能够获得低温，1965年Ouboter和Taconis首次利用3He-4He稀释制冷获得220 mK的温度，经过半个多世纪的发展，商用稀释制冷机已经能实现10mK下的最低温度。

稀释制冷机这台“冰箱”长这样

稀释制冷机是基于3He-4He混合液的特性,利用纯3He溶液向稀3He-4He混合液的稀释溶解过程,产生制冷效应。

根据饱和蒸气压下3He-4He混合液相图，以温度约为0.87 K、3He浓度为67.5%为起点,随着温度降低,3He-4He混合液开始分为两相, 三相点下的曲线称为相分离曲线, 相分离曲线中的阴影区域称为两相区。相分离线是对应温度下3He在4He中的最大溶解度,高于此浓度,3He便会析出,产生分相现象。

3He-4He混合液相图

由于分相现象的存在, 在极低温下3He, 4He混合溶液会分为两相，上层是浓3He的溶液（几乎是纯3He）,称为浓相;下层是稀3He的溶液,称为稀相.。

在同一温度下,稀释溶液的摩尔焓大于浓缩溶液的摩尔焓。因此当温度保持一定时,3He原子通过相分界面从浓相进入稀相的过程是一个吸热过程，对外界有制冷的效果。若是类比“蒸发”而言，3He从浓相向稀相的渗透可以看作是3He的“蒸发”。

在0.87 K以下,只要把大量的3He原子从稀相源源不断地取走,为了保持该温度下的相平衡,3He原子就会从浓相连续不断地溶解于稀相, 这样就可以获得连续地实现稀释过程，产生稳定的极低温环境。

我国的稀释制冷机

我国用于极低温区科学研究的制冷设备在相当长一段时期内主要依赖进口。作为中国低温实验技术和低温物理研究的发源地，中国科学院物理研究所早在上世纪70年代末就研制成功了我国第一台湿式稀释制冷机，实现了34mK（零下273.116度，即绝对零度以上0.034度）的极低温。

然而，随着量子计算的迅速发展, 国外针对我国量子计算用稀释制冷机逐步进行了限制和封锁。2024年5月9日,美国将涉及中国量子计算及其稀释制冷机的22家研究机构和公司列入实体清单,封锁禁运进一步加剧。近年国内多个研究单位和企业开始研制国产稀释制冷机，陆续有数家单位和企业取得了突破。

2021年6月，物理所团队率先研制出了国产无液氦稀释制冷原型机，实现了10mK以下的极低温，单冲程运行模式可低于8.7mK，被评为2021年中关村论坛五项首发重大创新成果之一。

在历时两年半的研发过程中，攻克了低温设备焊接工艺难题，解决了长期困扰的冷漏、超漏问题，在核心的极低温高效热交换器制作过程中，测试评估了大量材料和多种设计方案，攻克了盘管热交换器和银粉热交换器等多项核心技术难题。

物理所姬忠庆研究员团队依托综合极端条件实验装置国家重大科技基础设施研制的新一代工程样机在性能指标和使用性上达到了国际主流中型商业产品的水平，可以满足包括量子计算在内的量子科学和技术研究的需求。该技术的突破对于解决我国量子计算“卡脖子”问题又向前迈出了坚实的一步。

新一代无液氦稀释制冷工程样机长时间稳定运行在10mK以下，最低温度低于7.6mK

2025年2月26日，在怀柔科学城，综合极端条件实验装置通过国家验收。在怀柔大科学装置的极低温实验站，科研团队在装置内自主研制了顶部插杆式氦三制冷机、稀释制冷机等多款“冰箱”，可以提供1开尔文至1毫开尔文的极低温环境。

在这些技术的支撑下，他们搭建起量子计算机——最高数量达136量子比特的夸父（Quafu）量子计算云平台。科研团队将进一步提升这台量子计算机的量子比特数量。“接下来要走的路还有很长。”

稀释制冷机，从上个世纪的提出和实现，到逐步实现国产化，都是人类对极限环境探索的奇迹。相信在未来，凭借这一强大科研神器，我们将诞生更多改变世界的科研成果！

参考资料

[1]https://enjoyphysics.cn/Article3192

[2]http://blog.risechina.org/u/655/archives/2010/10020.html

[3]https://zhuanlan.zhihu.com/p/638040433

[4]郑茂文,郭浩文,卫铃佼,等.稀释制冷技术[J].物理学报,2024,73(23):78-94.

编辑：花卷