我國(guó)自主研發(fā)無液氦稀釋制冷機(jī) 向絕對(duì)零度邁進(jìn)

絕對(duì)零度是冰冷的極致，是一個(gè)理想的、無法達(dá)到的最低溫度。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們向著這個(gè)目標(biāo)發(fā)起了一次又一次挑戰(zhàn)。

2021 年7 月12 日，記者從中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲悉，該所自主研發(fā)的無液氦稀釋制冷機(jī)成功地實(shí)現(xiàn)了10 mK（絕對(duì)零度以上0.01 ℃）以下極低溫運(yùn)行。這標(biāo)志著我國(guó)在高端極低溫儀器的研制上取得了突破性的進(jìn)展。

稀釋制冷機(jī)是一種能夠提供接近絕對(duì)零度環(huán)境的高端科研儀器，在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、粒子物理乃至天文探測(cè)等科研領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。無液氦稀釋制冷機(jī)是商業(yè)上可以買到的溫度最低的制冷機(jī)，不需要液氦輔助就可以實(shí)現(xiàn)僅僅高于絕對(duì)零度0.01 ℃的極低溫，可以為量子計(jì)算機(jī)芯片提供一種用于維持量子態(tài)必需的極低溫環(huán)境。

“有別于傳統(tǒng)的依賴液氦輔助降溫的濕式稀釋制冷機(jī)，無液氦稀釋制冷機(jī)無需液氦供應(yīng)，樣品空間大，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)且運(yùn)維方便，在最近10 年迅速普及并成為市場(chǎng)主流。”中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員姬忠慶說。

量子計(jì)算是當(dāng)前世界各國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，稀釋制冷機(jī)為量子計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行提供必要的極低溫環(huán)境，是量子計(jì)算研究中不可替代的關(guān)鍵設(shè)備。“目前，我國(guó)此類儀器完全依賴進(jìn)口，是亟待攻破的關(guān)鍵核心技術(shù)。因此，研制國(guó)產(chǎn)無液氦稀釋制冷機(jī)迫在眉睫。”姬忠慶坦言。

作為中國(guó)低溫實(shí)驗(yàn)技術(shù)和低溫物理研究的發(fā)源地，中科院物理所早在20 世紀(jì)70 年代末就研制成功了我國(guó)第一臺(tái)濕式稀釋制冷機(jī)，實(shí)現(xiàn)了34 mK（-273.116 ℃，即絕對(duì)零度以上0.034 ℃）的極低溫。面對(duì)新一輪量子科技競(jìng)爭(zhēng)的新形勢(shì)，該所研究團(tuán)隊(duì)再一次組織力量聯(lián)合攻關(guān)，完全自主研制國(guó)產(chǎn)無液氦稀釋制冷機(jī)。

“在歷時(shí)兩年半的研發(fā)過程中，我們攻克了低溫設(shè)備焊接工藝難題，解決了長(zhǎng)期困擾的冷漏、超漏問題，在核心的極低溫高效熱交換器制作過程中，測(cè)試評(píng)估了大量材料和多種設(shè)計(jì)方案，攻克了盤管熱交換器和銀粉熱交換器等多項(xiàng)核心技術(shù)難題。”姬忠慶說。

最終，在2021 年6 月24 日晚，該所自主研發(fā)的無液氦稀釋制冷機(jī)原型機(jī)成功地實(shí)現(xiàn)10.9 mK（-273.1 391 ℃，即絕對(duì)零度以上0.010 9 ℃）的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足超導(dǎo)量子計(jì)算需要的條件，單沖程運(yùn)行模式可低于8.7 mK（-273.141 3℃，即絕對(duì)零度以上0.008 7 ℃），基本達(dá)到了國(guó)際主流產(chǎn)品的水平。

姬忠慶表示，新研制的無液氦稀釋制冷機(jī)原型機(jī)在解決量子計(jì)算“卡脖子”問題，加快科技自立自強(qiáng)上邁出了關(guān)鍵的一步，掌握稀釋制冷核心技術(shù)標(biāo)志著我國(guó)具備了為量子計(jì)算等前沿研究提供極低溫條件保障的能力。

“未來，物理所研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步地優(yōu)化無液氦稀釋制冷機(jī)相關(guān)技術(shù)，固化工藝流程，正在建設(shè)中的新一代制冷機(jī)將在易用性和穩(wěn)定性方面達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品水平，為我國(guó)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)前沿研究提供有力的支撐。”姬忠慶說道。