中国希望通过新的氦气冷却系统在量子技术领域获得无懈可击的领先地位

中国正通过创新驱动发展的国家战略，努力成为量子技术的世界领先者。来自上海的一组研究人员声称已经开发出一种新型冷却系统，可以产生量子计算机运行所需的极低温度。

大多数量子机器的核心部件——从计算机到卫星——检测和操纵易受热干扰的亚原子粒子以存储和处理信息，因此这些机器需要在接近绝对零的条件下运行。

为了保持系统的“量子态”， 必须 尽量减少任何破坏脆弱位置的风险，例如温度的最轻微升高会导致原子和分子过度移动并增加内部亚原子粒子的电压它们从而改变了它们的量子态。

Helium-3——地球上极为稀有

冷却最先进的量子硬件需要氦 3，这是一种氦的同位素，在带走热量方面具有无与伦比的效率。然而，氦 3 在地球上极为罕见，主要供应来自老化的核弹头。

在不到二十年的时间里，Helium-3 对量子研究和其他颠覆性技术的需求呈指数增长，其价格上涨了 40 多倍。

此外，不是任何人都可以购买它。例如，在美国，Helium-3 是为数不多的基于军事原因受到政府严格生产和分销控制的商品之一。

中国科学院上海技术物理研究所党海正教授和他的同事在上周发表在国内同行评审科学公报上的一篇论文中表示，他们已经为一些要求最苛刻的量子建立了强大的冷却系统。完全不使用任何 Helium-3 的机器。

Helium-4 超级流体

这种新的冷却装置利用了 Helium-4，这是另一种氦同位素。Helium-4 比 Helium-3 丰富得多，但在极端条件下作为冷却剂的效果较差

氦 4 在低至 2 开尔文（-271 摄氏度）的温度下会变成 超流体，无论重力如何都会爬墙，并且变得更加难以控制。

超流体可以做其他流体无法做到的事情，那就是违反重力定律并爬上容器的壁并逃脱。

党教授的团队开发了一个理论模型，可以在一定程度上预测 Helium-4 在超流体状态下的流动行为。

他们建造的冷却系统的工作原理类似于家用冰箱，但活动部件很少。它由脉冲能源驱动并以高频率运行以提高传热效率。

为了遏制 Helium-4 的不规则行为，党教授的团队添加了一个特殊组件来阻止反重力爬升。据研究人员称，该设备的一部分还必须采用质量极高的组件制造，其精度是当今主流产品的两倍。

在他们的实验中，新的冷却装置将超导纳米线单光子探测器（一种常用于量子机器的光学传感器）保持在 1.8 开尔文的温度下超过两周（15 天）。

研究人员声称，这项实验的结果表明，Helium-4 有可能在一些最苛刻的应用中完全取代 Helium-3，例如太空任务。

根据研究人员的粗略估计，找到一种 Helium-3 替代品可以将雷达中的量子技术成本降低至少 10%。

2016年，中国电子科技集团公司第十四研究所智能传感技术重点实验室的一组中国研究人员 声称 已经开发出一种“量子雷达”，可以探测到100公里以内的目标。

当时的中国媒体 将这种雷达称为 隐形战斗机的“克星”。首席研究员说，该系统不仅可以跟踪隐形飞机，还可以跟踪“高层大气及以上的高速飞行物体”——即弹道导弹。

量子技术的大规模应用

除此之外，中国对量子技术发展做出的一些最重要的贡献包括世界上颗量子卫星、最长的量子通信网络和最快的量子计算机。

然而，以上所有这些都是使用 Helium-3 冷却的传感器开发的，而 Helium-4 的使用可以进一步实现量子技术的大规模应用。

也就是说，新冷却装置的可行性值得怀疑，因为实验是在实验室中进行的。

但重要的是，曾经被斥为模仿外国发达技术的中国正在引领与量子技术等新兴技术相关的创新。

习近平主席在去年 10 月召开的中国共产党第十九次全国代表大会上宣布，到 2035 年，中国应该成为“全球创新引领者”。

根据“十三五”规划，中国启动了量子通信与计算“大工程”，旨在到2030年在这些技术上实现重大突破，包括扩大中国国家量子通信基础设施、发展通用量子计算机原型，以及实用量子模拟器的构建。