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需要新技术和对旧技术进行改进，以达到 <1 K 的量子计算冷却。

第 1 部分介绍了量子计算的需求和稀释冰箱的作概念。这部分着眼于单元的结构。

在稀释冰箱中，发生同位素混合的隔离环境恰如其分地称为混合室。这是相边界所在的位置，也是当 He-3 泵送通过相边界时发生冷却的地方。稀释装置的其他重要部件包括蒸馏室、连续流换热器（螺旋形式）和阶梯式换热器，如图 1 所示。

图 1.稀释-冰箱冷却循环有多个阶段：1.富氦-3气相，2.蒸馏器，3.热交换器，4.氦-3-贫相，5.混合室，6.相分离，7.富氦-3相。（图片来源：Bluefors OY/芬兰）

在稳态运行中，He-3 通过气体处理系统泵入稀释装置。它进入稀释装置，首先由脉冲管低温冷却器预冷（其工作原理完全不同，不在本文范围之内）预冷至约 3 K，然后通过静止室中的主流路。

从那里，它进入连续流热交换器，然后进入阶梯式热交换器，冷却进入混合室的 He-3。He-3 从混合室进入静止室，在这个气相中通过静止泵送管线蒸发，最终回到过程的起点。

热交换器的效率决定了稀释冰箱的效率。传入的 He-3 应尽可能由传出的 He-3 冷却。He-3 的循环速率决定了可用的冷却功率。如果换热器能够处理增加的流量，则更大的流量会导致冷却功率增加。

在另一个“这没有意义”的例子中，蒸馏器和混合室板的温度由加热器控制——毕竟，你正试图让东西冷却，那么为什么要增加热量呢？混合室用于诊断目的，但静止室加热对于设备的运行至关重要。如果没有加热，静止室中的蒸气压就会变得非常小，以至于泵无法有效循环 He-3，从而导致冷却功率降低。

因此，必须对蒸馏器施加热量以增加蒸发。由于 He-3 的蒸气压比 He-4 大，因此该过程将 He-3 从混合物中蒸馏出来（气相中的 He-3 浓度为 ~90%）。He-3 气体从蒸馏器中蒸发后，通过气体处理系统 （GHS） 泵送，在那里被净化，然后重新引入冷凝管线。

有关 He-3 与 He-4 的更多信息

您可能还记得化学或物理课上给定元素的同位素既相同又不同，具体取决于您的观点和您正在做的事情。氦气就是这一现实的证明。He-3 比 He-4 轻，这意味着液体中原子之间的结合能较弱。这导致蒸发潜热较低，而 He-3 潜热较低，蒸气压较高。

回想一下，He-3 由 3 个核子组成，这使其成为费米子;He-4 有 4 个核子，是一种玻色子。这种细微的差异是稀释制冷的基础。

纯 He-3 的核自旋为 I = 1/2;它遵循费米统计和泡利不相容原理，这阻止了它经历超流体跃迁，直到温度低得多，此时自旋成对，然后服从玻色子统计。纯 He-4 的核自旋为 I = 0，始终服从玻色子统计，并在 2.17 K 时转变为超流体。

一个很好的问题是氦气及其同位素从何而来？首先，您必须识别任何形式的氦气的来源。这似乎令人难以置信，但却是事实;元素氦（一种惰性气体）是天然气和石油钻探和开采的副产品;它不是来自出售气球的派对商店。

如图 2 所示，氦气是铀和钍的放射性衰变产物，如果知道这一事实，可能会吓到很多人。该反应的结果是α粒子，其中包含两个中子和两个质子。然后，这些小碎片从周围环境中收集电子并形成氦，氦气一直“被困”在地壳下方，直到被释放。

图 2.大多数人不知道涉及铀和钍的放射性现实是导致氦形成的原因。（图片：美国化学学会）)

至于它的同位素，情况就更复杂了。虽然 He-4 是从天然地下氦储量中提取的，但 He-3 是一种更罕见的同位素，是作为核反应（氚衰变或氘-氘聚变反应）的副产品产生的。

除非在碳氢化合物钻探和提取阶段捕获，否则氦气会立即逸出到大气中。它非常轻，然后飘入外太空，永远无法被重新捕获，这与空气中其他较重的气体不同，如氮气、氧气、氖气、氩气、二氧化碳、水蒸气和甲烷。一旦派对气球被刺破或泄漏，它的氦气就永远消失了。这就是为什么氦气的大量用户（气象气球、飞艇、焊机和过冷 MRI 机器）都重新捕获和再利用这种稀有且短暂的气体。

本文的最后一部分着眼于稀释制冷的替代方案。

关键词： 量子计算 Sub-1 K