量子计算机如何保持开尔文极低温

开尔文极低温是量子计算机稳定运行的必要条件，通常控制在10–20 mK（毫开尔文）。

为什么要降到10 mK？

量子比特的叠加态寿命极短，任何热噪声都可能引发退相干。
“能量越小，噪声的舞台就越窄。”——IBM量子研究员John Martinis的原话。
在10 mK下，热激发能量仅为 1.38×10⁻²⁵ J，远低于约瑟夫森结的几微电子伏特，超导量子态才能存活足够长的时间。

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三大冷却装置“接力跑”

1. 脉管制冷机（PTR）——先把室温拉到3 K，相当于把夏日热浪直接扔进液氦。
2. 氦稀释制冷机（DR）——再接力到10 mK，像给量子芯片戴上“太空隔热服”。
3. 磁制冷（ADR）——在实验室级别实现亚毫开尔文，被谷歌用于研究拓扑比特。

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降温流程里的细节陷阱

热开关必须采用超导铝片，普通铜在高磁场下会产生涡流热。
排线滤波：每条同轴线都串上5级π型滤波器，阻挡300 K的黑体辐射沿导线偷渡。
真空度需保持在10⁻⁸ mBar，否则残留的氮分子会像台球一样撞飞脆弱的量子态。

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成本为何高得吓人？

一台商用DR售价在300–500万人民币，三年运行电费约40万元。
这还不够：液氦的国际价格波动剧烈，2023年一度突破每升28元，相当于每毫升3分钱。
我曾在博客中估算，若量子芯片数翻倍，制冷功耗呈平方增长，这暗示未来机柜必须接入液氢冷却才划得来。

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家用版量子机会有吗？

答案极可能是否定。
“如果冰箱要占满半个客厅，没有人会搬它回家。”——这是英伟达CEO黄仁勋在GTC 2024的调侃。
但“云端冷却”正成为新思路：把制冷设备留在数据中心，用户只在手机上跑Qiskit程序。这样，开尔文温度变成了“看不见的云端天气”。

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常见疑问：把量子芯片浸在液氮行不行？

液氮只有77 K，距离超导量子比特的需求差了几千倍。
退相干时间会从微秒骤降到纳秒，算法来不及跑一步就已经“融化”。
这就像把北极鲑鱼放进南京常温的水族箱，活不过三分钟。

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未来展望：
光子量子能否摆脱冷冻链？

硅光子路径工作温度可达4 K，仅需要传统低温恒温器即可，省去了氦稀释机。
然而可扩展性至今不足——单个硅光子源产生纠缠对的效率不足1%。
一旦效率突破10%，室温量子 *** 有望先于超导体走出实验室。
英特尔在2023年IEDM报告了片上微型制冷片，体积缩小到一枚硬币，或许在十年内会把“开尔文”装进背包里，让极寒成为随身科技的温度。