比宇宙深空还冷180倍：超导量子计算机是如何在15毫开尔文下运转的？

宇宙深空的温度是零下 270 度，这已经是大自然给出的最冷极值。 但如果你走进 IBM 或者谷歌的量子实验室，那台金色吊灯最底部的温度，只有零下 273.135 度。 比宇宙深空还要冷 180 倍。 只有 15 毫开尔文，距离绝对零度只差一步。 有没有搞错？ 一台计算机而已，为什么要冻到这种地步？ 放进普通冰箱不行吗？零下 100 度不行吗？ 不行。在零下 100 度的环境里，超导量子芯片根本开不了机。

因为量子计算机算的不是普通电路的高低电平。 它算的是微观量子态。 主流的超导量子计算机，靠的是超导芯片上的约瑟夫森结。 量子比特娇贵到了极点。 超导比特的工作频率通常在 4 到 6 吉赫兹。 换算成能量尺度，对应的热噪声温度大概是 240 毫开尔文。 如果把芯片直接扔进宇宙深空，2.7 开尔文的微波背景辐射对它来说，就像在身边引爆烟花。 哪怕只有一丁点热量，原子稍微抖动一下，或者一个杂散的热光子撞过来，量子比特的叠加态瞬间就崩了。 物理学上管这个叫退相干。 算式还没跑完，所有的计算结果已经变成了一堆乱码。 为了让热噪声彻底闭嘴，唯一的办法，就是把温度一路死死压到 15 毫开尔文以下。

怎么在地球上造出比深空还冷 180 倍的环境？ 深空在大爆炸之后冷却了 138 亿年，才停在 2.7 开尔文。 我们平时用的液氮，沸点是 77 开尔文。 就算用液氦，沸点也只有 4.2 开尔文，依然比宇宙深空暖和。 如果你给液氦抽真空，强行减压蒸发，顶多降到 1 开尔文左右。 到了 1 开尔文，液氦的蒸气压急剧跌到底，蒸发制冷彻底失效。 怎么越过这道 1 开尔文的物理绝壁，一口气扎进 15 毫开尔文？

答案就是你在科技新闻配图里见到的那座巨大金色吊灯。 工程名叫稀释制冷机。 这台机器的心脏，用了一个极其精妙的量子力学机制。 它在玩两种氦同位素的混合：氦-4 和氦-3。 氦-4 就是平时给气球充气的普通氦气，原子核里有两个质子两个中子，属于玻色子。 当温度降到 2.17 开尔文以下，它会变成超流体，粘滞阻力彻底归零，可以在管壁上无摩擦滑行。 氦-3 则是极度稀有的同位素，原子核里只有一个中子，属于费米子。 当这两种液体混在一起，被冷却到 0.87 开尔文以下时，神奇的现象发生了。 它们会像油和水一样，自发分层。 上面一层是轻质的浓缩相，几乎百分之百是纯氦-3。 下面一层是较重的稀释相，主体是超流体氦-4，里面溶解着大约百分之六的氦-3。 制冷的关键动作就发生在这个分界面上。 在金色吊灯上方的蒸馏室里，一台高真空泵在不断抽气。 因为氦-3 的蒸气压远高于氦-4，抽出来的几乎全是氦-3 气体。 下层的氦-3 被抽走，原有的化学平衡被打破了。 为了维持百分之六的溶解平衡，上层纯氦-3 液体里的原子，必须强行跨过分界线，扩散溶解到下层的超流体氦-4 里面。 物理学家在热力学上证明过：这个跨越界面的过程，跟液体蒸发成气体的吸热过程一模一样。 超流体氦-4 在这里扮演的角色，相当于一个没有机械摩擦的真空。 氦-3 溶解进去，等于在氦-4 的怀抱里蒸发。 酒精蒸发在皮肤上会带走热量。 氦-3 跨过界面溶解进去，同样会疯狂吸收周围铜壁的热量。 这就是稀释制冷的动力。 抽气泵不停抽，氦-3 就不断穿透界面溶解，把温度从 0.8 开尔文一路硬拽到 15 毫开尔文。 抽出去的氦-3 气体也不会浪费，在室温下被压缩机过滤、净化，再顺着吊灯层层预冷液化，重新注入顶层，构成一个闭合循环。

把芯片冻到 15 毫开尔文，只是完成了一半。 接下来的工程难题才真正让人头皮发麻。 既然这是一台计算机，总得给它发指令，总得把计算结果读出来。 怎么把信号送给一个比深空还冷 180 倍的芯片？ 只能靠电缆。 从室温环境的 300 开尔文，拉上百根同轴电缆，一路穿过金色吊灯，直插最底部的量子芯片。 但是物理学在这里设下了一个死结：维德曼-弗朗茨定律。 能导电的金属，往往也是良导热体。 外面是 300 开尔文的室温，里面是 0.015 开尔文的极寒。 一根普通的铜导线拉进去，就像在冰库里插进一根烧红的铁棒，室温热量顺着铜线轰然涌入。 稀释制冷机在 15 毫开尔文这一层的制冷功率小到令人心疼。 通常只有几十微瓦。 几十微瓦是什么概念？ 一只蚊子扇动两下翅膀消耗的能量，都比它大。 室温哪怕漏进来一丁点微弱的热量，整个制冷腔体当场就会罢工。 工程师怎么破这个局？ 仔细看那座金色吊灯，每一层横向的镀金无氧铜盘，全是一个严密把守的热量检查站。 最上面是室温 300 开尔文，往下是 50 开尔文，再往下是 4 开尔文、0.8 开尔文、100 毫开尔文，最后才是底部的 15 毫开尔文。 每一根同轴电缆穿过铜盘时，都要用铜夹紧紧咬住，把热量一点点分级排走。 在每一层铜盘上，工程师都串联了 20 分贝的精密衰减器。 这些衰减器不仅是在减弱微波信号强度，更是在逐级吸收从室温环境沿电缆流窜下来的热光子。 等电缆下探到 4 开尔文以下，工程师直接把铜线换成了超导铌钛合金线。 超导材料在极低温下电阻为零，微波信号可以无损穿过，但它的热导率却断崖式下跌，死死关上漏热的大门。 一束微波脉冲从室温仪器出发，穿过重重热沉、衰减器和超导线，被扒掉了九成九以上的物理热量与噪声。 最后落在量子芯片上的，只剩下一缕极度纯净、极其微弱的微波脉冲。 芯片终于可以在毫无杂音的寂静中翻转量子态。

看到这里有人可能会问：造一台量子计算机，非得这么大费周章地折腾这套昂贵的冰箱吗？ 不一定。 这就是量子计算技术路线的分野。 像 IBM 和谷歌走的超导路线，好处是能借用人类极其成熟的半导体光刻制造技术，批量印制芯片，逻辑门操控速度极快。 代价就是必须硬扛这套极其笨重、极其昂贵的极低温工程。 而另外一些流派，比如哈佛大学衍生出来的中性原子路线 QuEra，或者离子阱路线 Quantinuum，打法完全不同。 他们不用超导电路来当比特，直接用激光光镊在真空腔里抓取单个铷原子或者镱离子。 用激光多普勒冷却，就能把单个原子本身的运动速度压到极低，相当于微开尔文甚至纳开尔文级别。 原子本身冷到了极点，但装原子的真空腔外面，直接大摇大摆地放在室温环境下运转，完全不需要那座巨大的金色吊灯。 不过天上从来没有免费的午餐。 省去了极低温制冷机的高压管道和稀缺的氦同位素，中性原子路线换来的是极其复杂的精密光学平台、成百上千束激光的准直校准，以及对真空度的极致苛求。

超导量子计算是用成熟的芯片制造，去换严酷的极低温管道工程。 原子路线是用复杂的激光控制，去省下沉重的低温制冷负担。 在物理极限面前，人类从来没有绕过去的捷径。 为了抓住几颗原子最脆弱的量子叠加，在地球的实验室里造出一个比全宇宙深空还要冷得多的角落，这本身就是一场登峰造极的精密工程。