絕對零度是熱力學(xué)的最低溫度，是粒子動(dòng)能低到量子力學(xué)最低點(diǎn)時(shí)物質(zhì)的溫度。絕對零度是僅存于理論的下限值，其熱力學(xué)溫標(biāo)寫成K，等于攝氏溫標(biāo)-273.15℃。液氦是氦的液化體。無色透明，無臭無味。臨界溫度(5.20K)和沸點(diǎn)(4.125K)最低。它可獲得mK級(jí)的超低溫，是一種最主要的低溫源。具有性質(zhì)：如在常壓下永遠(yuǎn)不會(huì)凝成固體，沒有三相點(diǎn)，只有當(dāng)壓力超過2.5MPa后才出現(xiàn)固相;存在入相變現(xiàn)象，在入點(diǎn)(2.1 72K)處比熱、密度等都有突變;存在超流性、爬行膜現(xiàn)象和超導(dǎo)熱性，粘滯系數(shù)接近于零。

日前，中國科學(xué)院物理研究所自主研發(fā)的無液氦稀釋制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)10mK以下極低溫，該自主研發(fā)的無液氦稀釋制冷機(jī)原型機(jī)實(shí)現(xiàn)10.9mK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，基本達(dá)到了國際主流產(chǎn)品的水平。

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。2021年6月24日，中國科學(xué)院物理研究所自主研發(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度，即絕對零度以上0.0109度)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。

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。

稀釋制冷機(jī)1951年H.London提出可以用超流4He稀釋3He的方法制冷的理論。到1965年P(guān).Das等人根據(jù)這一理論制成了3He-4He稀釋制冷機(jī)，已達(dá)到1.8mK的低溫。它可以長時(shí)間地維持毫K范圍的溫度，有較大的冷卻能力，已成為獲得毫K溫度的最重要的手段和設(shè)備。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。

3He，4He的混合液在0.86K以上時(shí)，液3He可以以任何比例溶解在液4He中，但是當(dāng)混合溶液的溫度降到0.86K以下時(shí)，混合液則分離成兩相，其中含3He多的相稱為濃縮相，而含3He少的相稱為稀釋相。在低于0.86K的任一溫度都對應(yīng)于一定的3He含量的稀釋相和濃縮相，并達(dá)到相平衡。當(dāng)從稀釋相中取走3He原子時(shí)，為了保持兩相的平衡，則由濃縮相中的3He通過相界面進(jìn)入稀釋相以補(bǔ)充被移去的3He原子。可以計(jì)算得3He在稀釋相中的焓和熵比在濃縮相中要大得多。所以這種稀釋過程需要吸熱，利用這個(gè)吸熱現(xiàn)象制成了稀釋制冷機(jī)。

從稀釋制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)圖來看，包含相界面的室稱做混合室，3He原子從濃縮相經(jīng)過相界面進(jìn)入稀釋相要吸熱而制冷，使溫度降低。包含稀釋相的自由表面的室稱為蒸餾室，溫度維持在0.6～0.7K。此時(shí)3He的飽和蒸氣壓遠(yuǎn)高于4He的飽和蒸氣壓，可以用抽氣機(jī)抽走，這時(shí)濃縮相中的3He原子就不斷地通過相界面進(jìn)入稀釋相，抽走的3He經(jīng)過冷凝再補(bǔ)充到濃縮相中形成循環(huán)，使制冷機(jī)不斷地運(yùn)行。

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。對照于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)，其理論模型是通用圖靈機(jī);通用的量子計(jì)算機(jī)，其理論模型是用量子力學(xué)規(guī)律重新詮釋的通用圖靈機(jī)。從可計(jì)算的問題來看，量子計(jì)算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能解決的問題，但是從計(jì)算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時(shí)速度要快于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)。

新聞來源：中國科學(xué)院物理研究所