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中科院|零下273.14度！中科院自主研发稀释制冷机 不再“卡脖子”

近日 ， 由中科院物理所自主研发的无液氦稀释制冷机 ， 在10mK（绝对零度以上0.01度）成功运行 ， 填补了我国在这项重要科研仪器上的空白 。
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△ 无液氦稀释制冷机（图片来自央视新闻）
稀释制冷机是研究极低温现象必备的物理仪器 。比如我们近年来看到的谷歌量子计算机 ， 其中主体的部分就是稀释制冷机 。
稀释制冷机为超导量子计算机提供接近绝对零度的极低温环境 ， 是量子计算研究中不可替代的关键设备 。
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△ 谷歌量子计算机的制冷机
目前我国的量子计算技术在国际上处于领先地位 ， 不久前中科大成功研制了全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号” 。
然而 ， 超导量子计算机所必须稀释制冷机却必须从国外进口 。面对新一轮量子计算竞赛 ， 中科院物理所组织力量联合攻关 。
中科院物理所副研究员姬忠庆所在团队 ， 历时两年半的 ， 解决了低温设备焊接工艺、盘管热交换器、银粉热交换器等多项核心技术难题 。
最终在6月24日 ， 完全自主研制国产无液氦稀释制冷机首次成功运行 ， 实现10.9mK的连续稳定工作 ， 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 。
什么是无液氦稀释制冷机
沸点4.2K的液氦 ， 是目前低温实验必不可少的一种物质 。但是要达到接近绝对零度的超低温 ， 需要一些特殊手段 ， 稀释制冷便是其中之一 。
制冷用的液氦中存在两种天然同位素氦-3和氦-4 ， 当温度低于0.87K时 ， 液氦会分离为两相 ， 类似于水油分层 。上层是含氦-3较多的相（浓缩相） ， 下层是含氦-3较少的相（稀释相） 。
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△ 稀释制冷原理示意图
若对下层液体抽气 ， 氦-3会比氦-4蒸发更快 ， 让稀释相进一步变稀 ， 氦-3将从浓缩相向稀释相扩散 ， 这一扩散过程会吸热 ， 从而达到了制冷的目的 。
但是要让氦-3冷却到极低的温度（从室温冷却到液氦温区） ， 一般需要液氦对其进行预冷 ， 这种方法叫做“湿式”稀释制冷 。而“湿式”需要消耗大量液氦 ， 液氦又是一种昂贵的耗材 。
如果在预冷过程中不使用液氦 ， 通过脉冲管制冷进行降温 ， 这种方式就叫做“干式”稀释制冷 ， 也就是无液氦稀释制冷 。
当然 ， 两种制冷方式在液氦温区以下的制冷原理都是一样的 ， 但后者因为不消耗大量液氦 ， 因此在经济性和可维护性上更具优势 ， 目前已成为市场主流 。
解决核心仪器“卡脖子”问题
其实 ， 早在上世纪70年代末 ， 中科院理化所冉启泽团队就开发出了湿式稀释制冷机 ， 实现了34mK的极低温 ， 甚至还将设备出口到美国 ， 但当时为了创汇 ， 卖到美国的稀释制冷机极为廉价 ， 仅约5000美金 。
随着那一批研究团队成员的退休与离世 ， 稀释制冷机的技术也逐渐“失传” 。
如今国内低温科研团队的稀释制冷设备均被外国企业垄断 。重新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 。
姬忠庆表示 ， 他们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”问题上迈出了关键一步 。
【中科院|零下273.14度！中科院自主研发稀释制冷机 不再“卡脖子”】希望国产的稀释制冷机能尽快投入市场 ， 让国产仪器为中国的量子计算研究出力 。


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