量子计算机离不开的稀释制冷机，西方巨头凭什么控制全球实验室？

在超导量子计算的研究中，有一个关键环节极具决定性，不论是IBM、谷歌，还是全球各地的国家级科研实验室，要让超导量子芯片正常工作，就必须使用无液氦干式稀释制冷机。

这种设备可以将环境温度降低到接近绝对零度的毫开尔文级别，目前全球这一市场，基本被芬兰Bluefors与英国牛津仪器两家公司所垄断。

那么今天我们就来聊聊，这两家西方巨头究竟是如何凭这项极低温技术控制全球量子实验室的？中国科研团队和企业又是如何展开自主破局的？

一、核心物理机制与工程制造难度

要弄明白这套设备为何形成垄断，咱们得先从它的物理原理和制造难度说起。

在超导量子计算和半导体自旋量子计算等主流技术路线中，量子比特对周围环境的热噪声极其敏感。

如果温度稍高，环境中的热振动就会直接破坏量子态的叠加与纠缠，导致计算过程出现错误。

为了保证量子比特稳定运行，超导量子芯片的工作环境温度必须降到10毫开尔文以下，也就是零下273.14摄氏度，这个温度比已知的外太空深处还要低上百倍。

但是，普通的蒸发制冷方法在温度低于1开尔文时就会彻底失效，因为随着温度降低，液体的蒸气压会呈指数级下降，抽走气体带走热量的效率几乎降低为零。稀释制冷机之所以能打破这个极限，利用的是氦的两种天然同位素——氦-3和氦-4在极低温下的量子相分离性质。

简单来说，当系统温度降低到0.87开尔文以下时，氦-3和氦-4的混合液体会自发分化为两个互不相溶的液体层。

上层是纯度接近100%的氦-3浓缩相，下层则是主要由氦-4和少量氦-3组成的稀释相，即便温度无限接近绝对零度，下层的稀释相里依然会保留大约6.4%的氦-3。

这时候，系统通过抽气泵在分馏室里抽走稀释相中的氦-3，就会打破原本的平衡。

为了补充浓度，上层浓缩相中的氦-3原子就会被迫跨越两相交界面，“溶解”并稀释到下层的稀释相中。

这个跨界面稀释的过程需要吸收混合焓，也就是吸收热量，只要源源不断地抽气并循环注气，混合室的温度就能被持续拉低到10毫开尔文甚至更低的水平。

原理听起来很清晰，但在工程制造上，把这套机制做成一台稳定运行的商业设备，难度却高得吓人。

首先是极度苛刻的热量控制，在100毫开尔文的极低温下，制冷机的制冷功率极其微弱，通常只有几百微瓦到几毫瓦，而从室温环境延伸到极低温盘板的，有成百上千根传输信号的同轴线缆和支撑结构。

如果从室温传导下来的热量泄漏了几微瓦，整台制冷机就会立刻升温过载，导致测试中断。

其次是极低温下的超流体泄漏问题，当液氦温度降到2.17开尔文以下时，其中的氦-4会变成超流体，粘度直接变为零。

零粘度的超流氦可以穿透极其微小的孔隙，这意味着制冷机内部所有的管道焊接、法兰密封，都必须达到原子级别的致密程度，稍微有一丝缺陷就会造成内部泄漏。

再者是减震与热交换的矛盾。

现代干式稀释制冷机不再依赖定期添加液氦，而是使用脉冲管制冷机进行闭路循环预冷。

但是，脉冲管制冷机在运行过程中会产生周期性的机械振动，这种振动如果传到量子芯片上，会直接干扰量子比特的相干时间。

工程师必须设计极复杂的机械减震隔离结构，同时还要在极有限的空间内放置高表面积的烧结银粉热交换器，在不传递振动的前提下完成高效的热量交换。

正是因为这些工程细节交织在一起，导致这项技术在很长一段时间里被少数几个掌握精密制造经验的国外团队所掌握。

二、西方主导厂商的市场控制与生态绑定

在全球稀释制冷机市场中，芬兰的Bluefors与英国的牛津仪器占据了极高的市场份额，在高端超导量子计算研发领域的集中度尤为明显，这两家公司走过了完全不同的发展路线，但也各自建立了极强的竞争壁垒。

咱们先看芬兰的Bluefors，这家公司是在2008年由阿尔托大学低温实验室的学者罗布·布劳格斯与皮特·福斯尔曼共同创立的。

当时，整个量子计算行业正处于从传统的“湿式稀释制冷机”向“干式稀释制冷机”过渡的技术窗口期。

Bluefors抓住了这个时机，专门针对超导量子芯片测试的需求开发产品，他们设计了大直径的冷板和模块化的内部空间，方便科研人员安装大量的同轴线缆和低温电子学器件。

他们的LD系列、XLD系列，以及后来的模块化KIDE系列，迅速被IBM、谷歌、Rigetti等商业量子计算公司和顶级实验室采购。

凭着工业化和标准化的策略，Bluefors拿下了全球大约39%到50%的市场份额。

在2023年，Bluefors还收购了美国脉冲管制冷机制造企业Cryomech，直接掌控了上游核心预冷冷头的供应链。

再看英国的牛津仪器，牛津仪器成立于1959年，由牛津大学的马丁·伍德教授创立，是全球最早将大学科研成果商业化的企业之一。

他们在超导磁体和极低温物理工程领域有着几十年的积累，在全球占据了约23%的市场份额。

牛津仪器推出了Triton系列以及后来的Proteox系列制冷机，包括Proteox MX、Proteox LX、Proteox 5mK等型号。

牛津仪器在产品设计上推出了“二级可替换插拔模块”技术，科研人员可以把整个信号布线系统和芯片样品装在独立的插拔模块上，在不拆卸整台制冷机的情况下进行更换和升级，这大幅缩短了实验室更换测试芯片的时间周期。

这两家公司之所以能够控制全球量子实验室，并不只是因为卖出了一台主机，而是因为他们建立了深度的技术生态绑定。

一台能正常工作的稀释制冷机，内部集成了极为复杂的测试系统，这包括成百上千根由铌钛合金、铍铜合金制成的低热导率微波同轴线缆，用于放大微弱信号的低噪声高电子迁移率晶体管放大器、SQUID放大器、极低温低通滤波器，以及防止外部磁场干扰的坡莫合金磁屏蔽层。

Bluefors和牛津仪器不仅卖制冷机，还提供全套的低温电子学集成方案、自动化气体处理系统以及控制软件，并且这些系统能与市面上主流量子测控硬件实现无缝对接。

实验室如果购买了他们的设备，后续的线缆扩展、器件维护、软件升级都必须依赖这两家公司。

这种生态绑定使得科研机构更换设备品牌的成本极高。

除了生态绑定外，关键原材料与关键零配件的供给也是制约市场的重要因素，稀释制冷机运行所必需的氦-3同位素，主要来自于核反应堆运作和氚衰变的副产品，全球整体产量非常有限且价格昂贵。

国外大厂商通过长期合同锁定了一部分氦-3的供应和回收再利用技术，此外，用于测量10毫开尔文以下极限温度的氧化钌温度计，以及特种柔性极低温同轴线缆，长期由日本Coax等少数几家特种材料厂商供应。

与此同时，高冷量、极限温度低于10毫开尔文的稀释制冷机被多国列入军事和民用两用物品出口管制目录，受到瓦森纳协定等国际出口管制规则的约束。

相关设备向特定国家或机构出口时，审批流程非常繁琐，交付周期往往会长达12到24个月，一旦供应链出现变动，没有自主设备的实验室就会面临研发停滞的风险。

三、中国技术的自主突破与未来博弈

面对国外的技术封锁和长交付周期，中国科研机构和本土企业加快了稀释制冷机的自主研发与产业化进程。

回顾历史，中国在极低温技术上的积累其实并不晚，早在20世纪70年代末，中国科学院物理研究所就成功研制出了国内首台湿式稀释制冷机，最低温度达到了33毫开尔文。

但在此后的数十年里，由于国外商业化干式制冷机性能稳定且可以直接采购，国内科研单位大多选择了进口设备，本土的商业化研发一度放缓。

直到近年来国际供应链不确定性增加，国内量子实验室采购设备受阻，自主研发才再次成为核心议题。

关键的技术突破发生在2021年，2021年6月，中国科学院物理研究所极低温团队成功研制出了完全自主知识产权的无液氦干式稀释制冷机原型机。

这台设备实现了10.9毫开尔文的连续稳定运行，在单冲程模式下最低温度达到了8.7毫开尔文。

这一成果攻克了热交换器烧结、极低温密封以及减震隔离等多项技术细节，证明了国内团队具备独立设计制造超低温系统的能力。

随后，技术研发迅速从科研原型机转向了产业化和商业化量产。

安徽大学与合肥知冷低温公司展开合作，由单磊教授和王绍良研究员团队推出了“400系列”干式稀释制冷机。

在2024年的实测中，该系统创下了连续稳定运行最低温度7.45毫开尔文超过100天的记录。

合肥知冷建立了标准化生产线，年产能达到了约60台，开始批量向国内高校和科研院所供货。

在量子计算产业链的整体配合上，企业也在解决零配件被卡的问题，本源量子推出了SL400以及ez-Q Fridge商用稀释制冷机，并在2024年5月宣布攻克了极低温特种高频同轴线缆的制造工艺，实现了信号传输介质的本土替代。

国盾量子则在2024年6月发布了自主研发的氧化钌温度计ezQ-RX56，这款温度计的起测温度低于6毫开尔文，并且具有较强的抗电磁干扰能力，打破了国外在毫开尔文级温度传感器领域的长期垄断。

随着产品性能趋于稳定，国内市场的供给格局发生了明显变化，根据2024年的市场统计数据，在全国新增的稀释制冷机采购订单中，以量羲技术、合肥知冷、中船鹏力、中电科16所等为代表的本土厂商，市场占有率已经提升到了30%以上，逐步改变了过去完全依赖进口的局面。

从未来的技术演进来看，稀释制冷机的竞争维度正在发生改变，随着超导量子计算机从数十个比特向数千甚至数百万个比特扩展，传统的单体制冷机在空间容积和制冷功率上都将达到极限。

下一阶段的竞争焦点，已经转向了面向数据中心级的大型模块化稀释制冷机。

例如Bluefors推出的KIDE平台和牛津仪器推出的ProteoxQX，都是试图通过将多个制冷模块组合在一起，提供更大的冷板面积和更高的制冷功率。

与此同时，如何将控制电路直接做成低温芯片放入制冷机内部，以及如何利用光纤在极低温下进行高密度量子信号传输，成为了新的研发方向。

中国本土企业和科研团队在完成了基础设备的自主化之后，目前正在向大容积模块化架构以及超高密度信号集成方向发起进一步的攻坚。