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新突破!零下273.1391℃ 中科院物理所自主研发无液氦稀释制冷机实现新突破

 

时间:2021年07月16日     来源:科技日报

 
 

  绝对零度是冰冷的极致,是一个理想的、无法达到的最低温度。长期以来,科学家们向着这个目标发起了一次又一次挑战。

  7月12日,记者从中国科学院物理研究所获悉,该所自主研发的无液氦稀释制冷机成功实现10mK(绝对零度以上0.01度)以下极低温运行。这标志着我国在高端极低温仪器研制上取得了突破性的进展。

  稀释制冷机是一种能够提供接近绝对零度环境的高端科研仪器,在凝聚态物理、材料科学、粒子物理乃至天文探测等科研领域广泛应用。无液氦稀释制冷机是商业上可以买到的温度最低的制冷机,不需要液氦辅助就可以实现仅仅高于绝对零度0.01度的极低温,可以为量子计算机芯片提供用于维持量子态必需的极低温环境。

  “有别于传统的依赖液氦辅助降温的湿式稀释制冷机,无液氦稀释制冷机无需液氦供应,样品空间大,连续运行时间长且运维方便,在最近十年迅速普及并成为市场主流。”中国科学院物理研究所副研究员姬忠庆说。

  量子计算是当前世界各国科技竞争的主战场,稀释制冷机为量子计算机的正常运行提供必要的极低温环境,是量子计算研究中不可替代的关键设备。“目前,我国此类仪器完全依赖进口,是亟待攻破的关键核心技术。因此,研制国产无液氦稀释制冷机迫在眉睫。”姬忠庆坦言。

  作为中国低温实验技术和低温物理研究的发源地,中科院物理所早在上世纪70年代末就研制成功了我国第一台湿式稀释制冷机,实现了34mK(零下273.116度,即绝对零度以上0.034度)的极低温。面对新一轮量子科技竞争的新形势,该所研究团队再一次组织力量联合攻关,完全自主研制国产无液氦稀释制冷机。

  “在历时两年半的研发过程中,我们攻克了低温设备焊接工艺难题,解决了长期困扰的冷漏、超漏问题,在核心的极低温高效热交换器制作过程中,测试评估了大量材料和多种设计方案,攻克了盘管热交换器和银粉热交换器等多项核心技术难题。”姬忠庆说。

  最终,在2021年6月24日晚,该所自主研发的无液氦稀释制冷机原型机成功实现10.9mK(零下273.1391度,即绝对零度以上0.0109度)的连续稳定运行,满足超导量子计算需要的条件,单冲程运行模式可低于8.7mK(零下273.1413度,即绝对零度以上0.0087度),基本达到了国际主流产品的水平。

  姬忠庆表示,新研制的无液氦稀释制冷机原型机在解决量子计算“卡脖子”问题,加快科技自立自强上迈出了关键的一步,掌握稀释制冷核心技术标志着我国具备了为量子计算等前沿研究提供极低温条件保障的能力。

  “未来,物理所研究团队将进一步优化无液氦稀释制冷机相关技术,固化工艺流程,正在建设中的新一代制冷机将在易用性和稳定性方面达到进口产品水平,为我国的量子计算实验前沿研究提供有力支撑。”姬忠庆说道。