科普量子芯片为何需要接近绝对零度？底层原理解读！

一、量子比特的脆弱性：量子相干性的温度敏感性

量子计算的基础是量子比特（qubit）的叠加态与纠缠态，而超导量子比特（当前主流技术路径之一）通过约瑟夫森结实现量子态操控。但量子态对环境干扰极为敏感，退相干现象（量子叠加态丢失）会直接导致计算错误。

以超导量子比特为例，其退相干时间随温度升高呈指数级衰减：

• 10mK 环境（接近绝对零度）：IBM 芯片退相干时间可达 100 微秒

• 1K 环境（约 - 272.15°C）：退相干时间骤降至 0.1 微秒

这种性能差异表明，温度每升高一个量级，量子态的稳定性将遭受毁灭性打击。

二、温度影响量子态的两大核心机制

1. 热噪声主导的量子态扰动

根据热力学原理，温度越高，微观粒子（原子、电子）的热运动越剧烈。这种无规则运动产生的能量波动（热噪声）会直接干扰量子比特的能级状态，导致量子态随机翻转。

• 室温场景：热噪声能量足以频繁激发超导量子比特的能级跃迁，使其无法维持稳定叠加态

• 极低温场景：10mK 环境下的热噪声强度仅为室温的百万分之一，显著降低量子态扰动概率

2. 量子零点能的极限控制

即使在绝对零度，量子系统仍存在基态能量（零点能），引发粒子的量子涨落（位置与动量的不确定性）。极低温环境虽无法消除零点能，但能将量子涨落控制在最小范围，从而延长量子相干时间 —— 这是维持量子计算过程的必要条件。

三、极低温环境的实现：稀释制冷技术解析

当前主流制冷方案为3He-4He 稀释制冷机，其利用同位素混合液的相分离特性实现超低温冷却：

1. 相分离机制：在低于 0.86K 时，3He-4He 混合液分为高密度浓缩相（富 3He）与低密度稀释相（富 4He）。3He 原子从浓缩相进入稀释相时吸收热量，形成持续制冷效应。

2. 技术指标：

• 商用设备可稳定维持 10mK 以下温度（如 IBM 芯片工作温度 15mK）

• 中国科学院物理研究所自研无液氦稀释制冷机已实现 10mK 以下运行，打破国际技术壁垒

四、行业实践与数据验证

3. 国际技术案例

• IBM：1281 量子比特芯片采用钽基超导材料，在 10mK 环境下实现 800 微秒相干时间（较铝基材料提升 15 倍），量子门错误率低至 0.001%

• 谷歌 Willow 芯片：通过液态 3He 冷却技术，将量子电路噪声降低 1000 倍，相干寿命接近 100 微秒，为量子纠错实验提供关键支撑

4. 温度 - 性能定量关系

研究表明，热噪声功率与绝对温度成正比。在 10mK 环境中，超导量子芯片的噪声水平仅为室温的百万分之一，这使得量子比特能在足够长的时间内完成逻辑门操作（典型门操作时间约 1 微秒），确保计算过程的完整性。

五、当前挑战与技术方向

5. 现实瓶颈

• 成本与能耗：商用稀释制冷机单价超百万美元，且依赖液氦维持（年消耗量达数千升）

• 规模化难题：芯片集成度提升（如千比特级处理器）导致制冷系统复杂度指数级增长

6. 前沿探索

• 新材料体系：拓扑量子比特利用马约拉纳费米子的拓扑保护特性，理论上可在更高温度下保持态稳定性

• 混合制冷技术：磁冷却、激光冷却等新型方案与稀释制冷结合，探索更低能耗的极低温控制路径

量子芯片对极低温的依赖，本质是量子态脆弱性与环境噪声的物理平衡结果。接近绝对零度的环境通过抑制热噪声与量子涨落，为量子计算提供了必要的稳定环境。尽管当前稀释制冷技术面临成本与规模化挑战，但随着材料科学与制冷技术的进步，量子芯片正从实验室走向工程化 —— 量旋科技等企业通过标准化量产与全栈技术布局，正加速这一进程，推动量子计算从原理验证迈向实际应用。