4月23日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员报道称，他们通过对常用于科研和工业领域的制冷机进行改装，显著降低了将材料冷却至略高于绝对零度所需的时间和能量。
科学家们指出，他们的原型设备每年能节省大约2700万瓦特的电力，这在全球范围内可节约约3000万美元的电费。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47561-5
从稳定量子比特、保持材料的超导特性，到为美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜提供足够低温以便观测天体，超低温制冷在许多设备和传感器的正常运行中发挥着关键作用。
这些前沿的科学研究通常在低于1K的温度下进行：在这样的低温环境中，电噪声和热噪声得到抑制，从而使得不寻常的量子力学现象更易于探测。
一般而言，这类设备通过稀释制冷机冷却到毫开尔文级别的温度，而稀释制冷机的工作则需首先将环境预冷至大约4K。脉冲管制冷机属于行波热声系统。在此系统中，高压氦气通过压缩机和旋转阀的作用在制冷机内循环，气体在接近蓄冷器冷端时膨胀（吸收热量），而在靠近热端时压缩（释放热量），从而通过氦气产生声功率。
典型的低频4K脉冲管制冷机
四十多年来，脉冲管制冷机（PTR）已成为实现各种科学和工业应用中所需超低温的核心技术。该设备通过周期性地压缩和扩张高压氦气来工作，这一过程能够将材料冷却到接近外太空的温度。尽管PTR在过去几十年中已被可靠地使用，其效率却相对较低：典型的低频PTR消耗约10千瓦的电力以提供大约1瓦的冷却能力，温度接近4K。
——冷却速度是决定低温实验节奏的关键因素。一台用于量子信息科学基础研究的稀释制冷机可能需要一整天才能达到其基础温度。
此外，在现代低温恒温器中，为了实现可接受的冷却速度，PTR通常设计得过大，导致在基础温度下实际可用的冷却功率远超所需。这种设计使得PTR的年运行成本高达数千美元，同时还需要特殊的电力和冷却基础设施。如果能够在不改变输入功率的情况下将PTR的冷却速度提高三倍，那么可以使用功耗降低三倍的设备来替代现有的PTR，同时保持相同的冷却效率。
为了使超低温和超低温技术得到广泛应用，这种显著的功耗降低是非常理想的。
在一系列实验中，NIST的科学家们发现，在室温下氦气的压力非常高，导致部分氦气通过溢流阀分流，而不是用于冷却过程。为了解决这一问题，研究小组通过改变压缩机和制冷机之间的机械连接，确保氦气得到充分利用，从而显著提高了制冷机的效率。
具体来说，研究人员不断调整一系列“阀门”（valve），精确控制从压缩机向制冷机流动的氦气量。他们发现，在室温下阀门开口较大，然后在冷却过程中逐渐关闭阀门，可以将冷却时间缩短至原来的一半到四分之一。
当前，科学家们通常需要等待一天甚至更长时间，才能将新的量子电路冷却到足够低的温度进行测试。这项技术的快速冷却能力可能对包括量子计算和其他量子科学研究在内的多个领域产生广泛的影响。
NIST科学家Ryan Snodgrass表示，该团队开发的技术还可以使科学家们使用更小的脉冲管制冷机替代大型机型，这种小型机器需要的配套基础设施更少。
NIST的改进型PTR代表了低温技术的一个重要里程碑，预示着科学和工业环境中实现低温的方法将发生根本变革。随着量子计算研究及其对低温技术的依赖日益增加，对这些制冷器的需求也将大幅增长。改进后的PTR将节省更多的资金、电能和冷却水资源。此外，该设备还能加快研究速度，因为科学家们不再需要为量子比特和其他量子元件的冷却等待数天或数周，这不仅支持蓬勃发展的量子经济，还能加速科学研究的进展。
这种改进不仅体现了NIST科学家们对脉冲管制冷机的深入研究，也为我们提供了更多关于制冷技术的理解和应用的机会。这些技术以其能够达到接近绝对零度的冷却能力而闻名，为量子物理和其他要求极端低温环境的领域提供了可能。
现有的低温冷却技术包括：
- 低温冷却器
这些设备处于将量子系统冷却到低温的最前沿，使研究人员和工程师能够利用量子力学的非凡特性实现突破性应用。低温冷却器是元件在进入稀释制冷器等专门的低温环境之前进行初步冷却的重要工具。
- 稀释制冷（DR）
稀释制冷（DR）采用两种氦同位素：氦-3(³He)和氦-4(⁴He)的混合物。利用这些同位素独特的相分离特性，可以从样品或设备中汲取热量，从而达到极低的温度。这种方法可应用于各种研究领域，包括低温物理学和量子计算等领域。
- 绝热去磁制冷（ADR）
ADR是一种利用磁性物质发生绝热（无热交换）退磁时产生的冷却效应的技术。通过应用强磁场使原子磁矩对齐，然后再降低磁矩，利用材料的热能来超越磁相互作用，最终达到冷却的目的。ADR可用于太空望远镜、卫星仪器和特定的低温研究。
- 脉管制冷机
脉管制冷机是利用机械装置在密封气路中产生高频压力波的一种方法。振荡压力波促使气体在膨胀和收缩之间交替，从而产生温度波动，可用于冷却目的。脉管制冷机经常用于低温泵、空间仪器和特定的工业环境。
正如我们所见，各种低温冷却技术的发展，从低温冷却器到脉管制冷机，都是为了实现越来越低的温度，满足科学和技术的需求。尽管绝对零度是无法完全达到的，现代制冷技术已能接近这一极限。
在日常生活中，我们常见的制冷技术如冰箱，主要采用压缩机和冷媒的循环来实现相对较高的制冷温度。在医学领域，液氮则被用于实现对生物组织的快速深度冷却，其工作温度通常在70K左右。而对于需要更低温度的应用，如液氦温区（4K以下），则通常采用节流和减压降温的技术。进一步地，当需要达到1K以下的极低温环境时，吸附制冷技术成为必需。
在所有这些制冷技术中，要实现100mK以下、趋近于绝对零度的温度，最有效的技术是稀释制冷机。稀释制冷机特别适用于超低温科学实验和量子技术的需求，也因此主要用于超低温科学实验和量子技术的研究，例如量子计算和量子传感器。
量子技术的快速发展正在深刻影响低温技术领域的现有技术和市场格局，同时不断提升的技术要求也给低温设备制造商带来了新的挑战。随着量子应用的持续扩展，低温环境变得日益重要，已成为许多量子实验室的标准环境。
在这一领域中，英国的牛津仪器、芬兰的Bluefors和美国的Janis Research公司是主要的设备生产厂家，其中Bluefors和牛津仪器占据了全球市场的主要份额。2021年，IBM公布了其“黄金眼（Goldeneye）项目”，旨在为量子计算机制造一台前所未有的超大（1.7立方米）稀释制冷机；到2022年底，美国能源部旗下的费米国家加速器实验室宣布正在建造Colossus，一旦完工，将成为迄今为止在mK温度下最大、最强的稀释制冷机，其容量仅为Colossus的三分之一。
全球稀释制冷机主要供应商统计截止：2023年1月
长期以来，稀释制冷机的国际供应主要由美国、英国和芬兰等欧美国家控制，形成了一种长期的市场垄断。然而，在国内，由于缺乏该技术，量子等关键领域所需的稀释制冷机都需从国外进口，且售价极为昂贵（约300-1000万元人民币/台）。
随着量子计算等高科技领域的竞争日益加剧，这些设备已逐渐成为限制中国科技发展的禁运商品。因此，中国迫切需要研发具有自主知识产权、完全国产化的极低温稀释制冷机。
作为中国低温实验技术和低温物理研究的先驱，中国科学院物理研究所在上世纪70年代末就成功研制了国内第一台湿式稀释制冷机。
目前，该所的姬忠庆团队在无液氦稀释制冷机上实现了8mK的温度；中电科十六所的稀释制冷机取得了阶段性突破，其连续循环工作温度达到9.3mK；中船重工鹏力超低温稀释制冷机采用GM制冷机作为预冷冷源，最低温度达到12mK（连续运行）；安徽大学完全自主研发的量子计算用极低温稀释制冷机连续运行最低温度为9.2mK，并且在100mK达到435μW、在120mK达到671μW的制冷量；中国科学院物理研究所承担的北京市科技计划课题“400微瓦无液氦稀释制冷机研制”也已顺利通过了第三方技术测试……
新一代无液氦稀释制冷工程样机
为了解决这一关键技术难题，国内包括中国科学技术大学和科大国盾量子的联合团队，以及中国科学院物理研究所、中国电科、中船重工等都在积极研发。
从2023年下半年开始，科大国盾量子技术股份有限公司（简称国盾量子）向两家科研单位交付了国产稀释制冷机产品。经过客户多月的测试，设备展示了长时间连续且稳定的运行能力，达到了国际先进水平。
2024年2月26日，安徽省量子信息工程技术研究中心与国盾量子联合宣布，国产稀释制冷机ez-Q Fridge在交付客户后的性能测试表明，其实际运行指标已达到同类国际主流产品的水平，成为国内首款可商用可量产的超导量子计算机专用稀释制冷机。
国盾量子稀释制冷机交付客户使用现场
2024年4月，本源量子宣布向中国一所985高校顺利交付本源SL400国产稀释制冷机
这些成就不仅体现了我国在高端科研装备制造领域的自主创新能力，也对构建一个安全、高效、自主可控的国家科技创新体系具有重大的战略价值。
近年来，随着相关产业的快速发展，中国已涌现出约10家与稀释制冷机相关的创业公司和科研团队，显示出对这一关键技术的高度重视和迅速反应。2024年2月，中科量仪（北京）科技有限公司完成了工商注册及天使轮投资，由科实资本和中国科学院物理所的姬忠庆博士作为发起股东和投资方。中科量仪将承担中国科学院物理所稀释制冷机项目的产业化任务。
然而，国内在稀释制冷机技术水平上仍然与美国存在较大差距，这种差距在科研资源、市场空间和人才分布上的“稀释”，可能会在未来量子计算机发展到千比特及更多比特的过程中带来极大的阻碍。
面对国内稀释制冷机技术发展的这些现实挑战，如何加快创新步伐并缩小与国际先进水平的差距，是中国科技界和产业界必须考虑的问题。稀释制冷机的性能不仅关系到量子计算机的稳定运行和效率，更是推动整个量子计算领域向前发展的关键因素。因此，加强这一技术的本土化研发和产业化应用显得尤为重要。
中国的稀释制冷机产业虽然起步迅速，但在追赶国际先进水平的路上还面临诸多挑战。如果这些挑战不能得到有效解决，可能会阻碍中国在未来量子计算机向千比特乃至更高比特级别发展的步伐。稀释制冷机的性能直接关系到量子计算机的稳定性和效率，技术上的任何短板都可能成为制约整个行业发展的瓶颈。
参考链接（上下滑动查看更多）：
[1]https://www.nist.gov/news-events/news/2024/04/big-quantum-chill-nist-scientists-modify-common-lab-refrigerator-cool
[2]https://phys.org/news/2024-04-big-quantum-chill-scientists-common.html
[3]https://thequantuminsider.com/2023/09/12/cryogenics-a-short-history-the-implications-it-has-on-the-qc-industry/
[4]https://physicsworld.com/a/quantum-refrigerator-is-efficient-and-reusable/
[5]https://www.datacenterdynamics.com/en/analysis/cooling-quantum-computers/
[6]https://mp.weixin.qq.com/s/Xva-vM97-qc7ZgUylTRiWA
[7]https://mp.weixin.qq.com/s/b4mdOAjHwAROUYoZ3mgPOQ
[8]https://mp.weixin.qq.com/s/ir6b9O83IYR3J-vXvhACSQ
[9]https://www.datacenterdynamics.com/en/analysis/cooling-quantum-computers/
[10]https://thequantuminsider.com/2024/04/25/uk-tightens-controls-on-quantum-computing-exports-and-cryogenics-firms-could-feel-the-chill/