超导量子计算机 dilution refrigerator 入门级选购攻略

10 mK 稀释制冷机是量子芯片唯一可用的持续低温方案

---

为什么量子比特一定要冷到接近绝对零度？

超导量子计算依靠微弱的约瑟夫森结电流表示 0 和 1。只要环境噪声高于 30 μeV 就会扰乱量子态。温度每升高 1 mK，退相干时间缩短约 0.4 %，这就是实验室拼命把 fridge 推到 10 mK 的原因。IBM 对外展示的“金鱼缸”里，那根悬挂的金属棒就是稀释制冷机的冷指，末端贴着指甲片大小的量子芯片。

---

把冰箱拆给你看：五级冷却长什么样？

• Room temp (300 K)：压缩机+水冷机把氦混合气预压到 15 bar；
• 70 K-4 K：两级 GM 冷头先干掉大部分显热，这一部分的振动常被忽视，其实会透过支架传到芯片，做精密实验时要用柔性波纹管减震；
• Still plate (800 mK)：稀相氦循环开始产生制冷功率，这一级是布线最密集的区域，因为大部分放大器舍不得再往更冷的地方挤；
• Mixing chamber (10 mK)：量子芯片所在地，四周铜壁包裹防辐射屏，内部填充 2 mm 铜粉烧结高比表面积热交换器；
• 冷指 (5 mK-7 mK)：最终冷锚，芯片背面金线键合到镀金 OFHC 铜冷 finger 上，接触热阻决定“最后 2 mK 能否稳得住”。

---

买冰箱前先问自己四个数字

实验室没有“一步到位”的规格，只能匹配经费和实验：

1. 制冷功率：现在主流 200 μW@100 mK，如果你计划做上千比特的面阵，需要 400 μW 以上才安全；
2. 实验端口：同轴线数量=量子比特×校准线/比特×2 左右，常见 24-48 根 *** A；
3. 维护周期：闭循环 fridge 一年“补气”一次，开循环每次换样要花 30 h 预冷；
4. 实验室层高标准：更高点多高？能不能进电梯？Bluefors LD 机型 2.4 m，一次搬不进楼的故事我见过三次。

---

品牌横评：从芬兰到中国

品牌	型号	标称冷量 (μW@100 mK)	个人体验
Bluefors	LD-400	400	界面最成熟，文档全，售后贵，适合不差钱的团队
Oxford	Proteox	350	模块化设计，换样最迅速，缺点是振动稍大
中船 719	Cryo-300	300	国产化突破，同性能比进口便宜 30 %，但手册是中文让我惊喜了一下

---

现场踩过坑：我最常被问到的五个小白问题

Q：能不能像空调一样买回来插电就开机？
A：你得先把混合气罐、水冷机、振动隔离平台、射频线全部“拼乐高”。之一套系统部署平均需要三个月，包含三次液氦预冷训练。

Q：运行成本到底是多少？
A：除了一次性设备费 180–250 万，闭循环每月电费 3000–5000 元（按每度 0.8 元算）。真正烧钱的是同轴线、衰减器、隔离器，一条 0.1 dB 低温线就要 600 美元。

Q：芯片换样到底麻不麻烦？
A：如果提前把样品盒做成 CF-40 金属仓，换样只要 6 h；最糟糕情况是忘记贴加热器，升温用了两天，实验室直接错过 Deadline。

Q：二手市场值不值得？
A：五年以内的 Bluefors 可以打 7 折入手，但需要换掉所有氦气管，花费 15 万，算完和买新的差距不大。

Q：能不能 DIY？
A：2021 年 Cornell 的 Kyle Thompson 用众筹部件拼了一套 30 mK 系统，论文发表时已经爆改三次，累计花费 6.3 万美元。结论：可以做科研，别做产品。

---

我在设备验收日写下的三个小贴士

“凡是能用金钱买到的零件，不要试图用情怀去省。” ——《流浪地球2》道具组备忘录，同样适用于低温实验。

• 预冷步骤务必打印贴在墙上：新学生最容易在第二步忘记开 Still heater，导致冷凝器结冰堵塞，一夜回到解放前；
• 用铜辫给地线降温：别把放大器地线直接接到机壳，改用 50 cm OFHC 铜辫可以再多降 2 mK；
• 准备一瓶 99.999 % 高纯氦做“急救包”：任何漏气事故都能靠它撑到工程师到场。

---

延伸阅读

如果想把理论再往前推一步，推荐 Nature Reviews Physics 2024 年 6 月刊的综述《Cryogenics for superconducting quantum computers》，作者列表中包含 Google Quantum AI 的前首席工程师 John Martinis。