零下273.1391℃絕對零度是冰冷的極致，是一個理想的、無法達(dá)到的最低溫度。長期以來，科學(xué)家們向著這個目標(biāo)發(fā)起了一次又一次挑戰(zhàn)。
7月12日，記者從中國科學(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)成功實(shí)現(xiàn)10mK(零下273.1391℃)以下極低溫運(yùn)行。這標(biāo)志著我國在高端極低溫儀器研制上取得了突破性的進(jìn)展。
中國科學(xué)院物理研究所10mK原型機(jī)全貌
稀釋制冷機(jī)是一種能夠提供接近絕對零度環(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等科研領(lǐng)域廣泛應(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)僅僅高于絕對零度0.01度的極低溫，可以為量子計(jì)算機(jī)芯片提供用于維持量子態(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)行時間長且運(yùn)維方便，在最近十年迅速普及并成為市場主流。”中國科學(xué)院物理研究所副研究員姬忠慶說。
量子計(jì)算是當(dāng)前世界各國科技競爭的主戰(zhàn)場，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?！澳壳?，我國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，研制國產(chǎn)無液氦稀釋制冷機(jī)迫在眉睫?！奔е覒c坦言。
作為中國低溫實(shí)驗(yàn)技術(shù)和低溫物理研究的發(fā)源地，中國科學(xué)院物理研究所早在上世紀(jì)70年代末就研制成功了我國第一臺濕式稀釋制冷機(jī)，實(shí)現(xiàn)了34mK(-273.116℃，即絕對零度以上0.034℃)的極低溫。面對新一輪量子科技競爭的新形勢，該所研究團(tuán)隊(duì)再一次組織力量聯(lián)合攻關(guān)，完全自主研制國產(chǎn)無液氦稀釋制冷機(jī)。
“在歷時兩年半的研發(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，測試評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?！奔е覒c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)成功實(shí)現(xiàn)10.9mK(零下273.1391℃，即絕對零度以上0.0109℃)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8.7mK(零下273.1413度，即絕對零度以上0.0087度)，基本達(dá)到了國際主流產(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，中國科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(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，為我國的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)前沿研究提供有力支撐?！奔е覒c說道。
