新突破！中国自主研发稀释制冷机成功实现绝对零度

19 世纪 50 年代，莱顿大学（Leiden University）的物理学教授海克・卡末林・昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次将氦气液化，通过汞等元素发现物理超导性，借此成为 “超导第一人”。从此，人类正式踏入低温物理学的世界。

经过两个世纪研究，如今低温物理学应用于包括材料科学、量子计算、天气探测、基础物理等领域的科研中。不过，对于追求极致的极低温（mK）的绝对零度来说，科学家们从未停止过探索。

绝对零度并非我们日常所认知的 “0 度”，而是指当低温达到极限，环境中的分子会停止一切运动，并处于完全静止的状态。这时，就达到人们所说的绝对零度了。与几乎无上限的热量不同，绝对零度的极限温度数值是零下 273.15 度，不过这只是科学家利用仪器计算出的一个理论数字。

由于时间本质是物体运动的过程，所以当温度达到极致时，无论是时间还是空间都将全部失效。而当实现零下 273.15 度时，理论上所有物体和固体的熵也会无限接近为 0。

所以，当动能为 0 的分子处于完全静止状态时，就会出现所谓 “绝对零度” 的极低温。即便如此，目前人类探索过包括宇宙在内的任何空间，仍未发现过有绝对零度的任何痕迹。

（来源：Pixabay）

中国科学院物理研究所（Institute of Physics CAS）作为中国低温物理研究领域的发源地，早在 40 年前就成功研制出了中国首台湿式稀释制冷机。

7 月 12 日，中国科学院物理研究所自主研发的无液氦稀释制冷机成功实现 10mK（高于绝对零度 0.01 度）极低温运行，其性能基本达到国际主流水平。这是中国该领域中的又一大突破。

中国科学院物理研究所副研究员姬忠庆在接受媒体采访时表示，“有别于传统的依赖液氦辅助降温的湿式稀释制冷机，无液氦稀释制冷机无需液氦供应，样品空间大，连续运行时间长且运维方便，在最近十年迅速普及并成为市场主流。”

图｜物理所 10mK 原型机全貌（来源：中国科学院物理研究所）

他说：“在历时两年半的研发过程中，我们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。”

简单来说，无液氦稀释制冷机是一种无需液氦辅助，就可提供接近绝对零度的制冷设备。而更重要的是，自量子物理诞生以来，就预示着人类已经进入全新的科研阶段。通过研究绝对零度环境，科学家能更仔细地观察量子效应，这对于了解微观世界有至关重要的意义。而稀释制冷机是为量子计算机正常运行提供极低温环境不可或缺的关键设备。

量子计算是通过利用量子力学调控量子信息等进行的一种全新计算模式，由于量子计算会用到非常精细的能级结构。所以，想要清晰地观察量子态的相干演化，温度环境要求越低越好。而以目前人类的制冷技术来看，稀释制冷是唯一可实现的途径。

（来源：Pixabay）

在 6 月 24 日晚，中国科学院物理研究所的研究团队力克难关，终于成功自主完成研发无液氦稀释制冷机原型机。该原型机可以在 10.9mK（零下 273.1391 度）—— 8.7mK（零下 273.1413 度）的环境下稳定连续运行，同时满足超导量子计算需要的条件。

对此，姬忠庆表示，“日前，我国此类仪器完全依赖进口，是亟待攻破的关键核心技术。因此，研制国产无液氦稀释制冷机迫在眉睫。现在新研制的无液氦稀释制冷机原型机在解决量子计算'卡脖子’问题，加快科技自立自强上迈出了关键的一步，掌握稀释制冷核心技术标志着我国具备了为量子计算等前沿研究提供极低温条件保障的能力。”

除了解决科研问题外，中国能自主生产无液氦稀释制冷机，也将创造巨大的出口经济效益。姬忠庆说：“未来，物理所研究团队将进一步优化无液氦稀释制冷机相关技术，固化工艺流程，正在建设中的新一代制冷机将在易用性和稳定性方面达到进口产品水平，为我国的量子计算实验前沿研究提供有力支撑。”

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