把一块金属冷却到接近绝对零度，它的电阻会消失，这就是超导现象。超导量子计算机利用超导电路构建量子比特，而量子比特需要在毫开尔文级的极低温下才能稳定工作，这个温度大约是零下273.1摄氏度，距离绝对零度只有千分之几开尔文。达到并维持这样的低温，液氦和超流氦扮演着不可替代的角色。
制冷链路从室温开始逐级降温。第一级用液氮预冷，液氮在常压下沸点77开尔文，即零下196摄氏度，把系统从室温拉到液氮温区。第二级用液氦，液氦在常压下沸点4.2开尔文，约零下268.95摄氏度，进一步把系统冷到液氦温区。第三级是氦-3和氦-4稀释制冷机，利用两种氦同位素在低温下的相分离特性，通过连续蒸发氦-3达到毫开尔文级温度。三级制冷环环相扣，前一级是后一级的基础。
液氦的物理性质十分特殊。氦是唯一能在常压下保持液态到接近绝对零度的物质，其他物质在远高于这个温度时就已经固化。原因在于氦原子之间的相互作用力极弱，而零点能很大，即使在绝对零度，原子的量子涨落也足以维持液态。要让氦固化，需要施加25个大气压以上的压力。这个特性使液氦成为极低温制冷的理想工质。
当温度降到2.17开尔文以下，液氦会发生一次相变，从普通的He-I变成超流体He-II。2.17开尔文这个点被称为拉姆达点，因相变时比热容曲线形状像希腊字母拉姆达而得名。超流氦的性质颠覆常识，它的粘度为零，可以毫无阻力地流过极细的毛细管。它的热导率极高，比常温下的铜高出几百倍，热量在超流氦中以波的形式传播。它还能沿着容器壁向上爬行，越过容器边缘流到外面，这个现象叫罗林效应。
超流氦的这些奇特性质在量子计算制冷中大有用处。零粘度意味着超流氦可以在制冷回路中循环而不产生粘性耗散，制冷效率更高。极高的热导率使超流氦成为优秀的热交换介质，能把量子比特产生的热量迅速带走。在稀释制冷机的混合室中，氦-3和氦-4的混合物在超流态下工作，氦-3原子从浓相扩散到稀相的过程吸收热量，这是毫开尔文级制冷的核心机制。
氦-3是氦的稀有同位素，天然氦气中氦-3的含量仅约百万分之1.4。氦-3的沸点3.2开尔文，在稀释制冷机中作为循环工质。全球氦-3的主要来源是核武器中氚的衰变产物，氚半衰期12.3年，衰变后生成氦-3。随着核武库缩减和氚生产减少，氦-3供应日趋紧张。科研机构正在寻找氦-3的替代方案，包括绝热去磁制冷技术，但短期内稀释制冷机仍是超导量子计算机的主流制冷方案。
一台超导量子计算机对液氦的消耗量相当可观。稀释制冷机是封闭循环系统，理论上氦气可以回收复用，但实际运行中存在泄漏和维护损耗，制冷机的预冷和维护也需要消耗液氦。大型量子计算中心同时运行多台稀释制冷机，每年的液氦消耗量以千升计。氦气资源的稳定供应，是量子计算中心持续运营的关键保障。
量子计算的发展对低温制冷技术提出更高要求。量子比特数量从几十个增加到上千个，制冷系统需带走更多热量，维持均匀温度分布。业内正研发千比特级专用大型稀释制冷机，部分方案采用多级预冷设计，目标是在毫开尔文温区提供毫瓦级以上制冷功率。
液氦和超流氦是量子计算时代的战略资源。从液氮预冷到液氦冷却，再到氦-3氦-4稀释制冷，每一级都离不开氦的同位素。氦气资源的保障能力，直接关系到量子计算领域的竞争力。随着超导量子计算机从实验室走向工程化部署，对氦气供应的稳定性和纯度要求将持续提升。
纽瑞德气体是专业特种气体服务商，主营高纯稀有气体、电子特气、标准混合气、同位素气体，包含氦气、氖气、氙气、六氟化硫等，纯度可达 5N 以上。配备专业检测设备，支持定制配气，可提供充装、危化品配送与技术支持。产品服务半导体、电力、光纤、航天科研等行业，为高端制造提供可靠特种气体配套。致电：17764012828投稿与新闻线索：邮箱：tuijiancn88#163.com（请将#改成@）
特别声明：高纯气体网转载其他网站内容，出于传递更多信息而非盈利之目的，同时并不代表赞成其观点或证实其描述，内容仅供参考。版权归原作者所有，若有侵权，请联系我们删除。