绝对零度如果达到会怎么样？人类现在能做到的最低温度是多少呢？ 第1页

貌似之前的很多答案都在争论绝对零度是否可以达到这个问题，那我也从这儿开始吧。

首先，温度的定义是延续了经典物理的概念（更确切的说是经典的热力学与统计物理）。温度定义为系统中粒子（包括分子，原子，电子等等）热运动的大小，更确切的说是系统中粒子动能的大小。直接的表现形式就是能量均分定理：系统中每个自由度都对应1/2kB*T （kB时波耳兹曼常数，T是绝对温标下的温度，单位是开尔文K）的能量。比如说单个粒子的热运动，因为有xyz三个方向上的运动可能性，就有3/2kB＊T的能量（如果是很多个粒子组成的系统，还要考虑粒子之间的势能等等）。这样看来，绝对零度就是指系统中所有粒子的动能均为零时所对应的温度了。那我们可以达到绝对零度吗？答案是否定的。因为在极低温情况下，粒子的量子力学行为就会起作用。不确定原理告诉我们粒子的位置和动量（对应于动能）不能同时确定。这个时候我们可以简单修正一下绝对零度定义为粒子动能低到量子力学的最低点时对应的温度。即使是这个温度，我们也是无法达到的。因为任何空间或系统，总是存在各种各样的能量（势能或是其他形式的能量）和热量，他们相互转化而且永不消逝。除非某个系统或空间从一开始就没有任何形式的能量和热量。这样的系统显然是不存在的。所以说绝对零度永远不可以达到。严格的理论证明可以参考热力学和统计物理的教材，这里就不展开说了。

虽然绝对零度不能达到，科学家还是可以通过技术手段去接近这个温度点。主要技术手段有激光制冷和传统的蒸发制冷。先说第一种激光制冷：既然温度是粒子运动快慢的反应，那么当粒子运动速度接近为零的时候，温度就对应着最低。基于这种朴素的想法，激光冷原子技术应运而生。用多束激光去反方向轰击单个粒子使其减速为零（当然，只能接近零），这样整个系统的温度就接近绝对零度了（这儿应该是一种等价效果，并不是真的降低到那个温度，欢迎相关人员纠正）。通过激光冷原子技术（诺贝尔奖），人们已经观察到了理论中预言的玻色－爱英斯坦凝聚（BEC）现象。这是一种玻色子在宏观尺度上的凝聚现象，当前的一大应用就是高能激光器。题主可以想象一下大量的粒子在同时从激发态跃迁到基态所释放出来的能量。当然，激光冷原子技术已经被用来做其他方面的研究了，比如模拟真实材料的低温性质，特别是做一些理论模型的验证工作。国内这一块有中科大和山西大学的量子光学所等其他组。

第二种就是基于传统的蒸发制冷技术的改进。当物质发生相变的时候，总是伴随着能量的释放或吸收。比如说当水结冰就会释放能量，反过来冰融化成水就会吸收热量，这也是雪天雪融化的时候天气比较冷的一个原因。同理，当液体变为气体的时候就会吸收热量。我们可以利用这个原理来制造低温环境。比如冰箱。这种技术强烈的依赖于制冷工质。生活中的冰箱可以得到零10-20摄氏度的低温，在低的温度制冷工质就会发生结冰（转变为固体）现象，制冷循环通道就会被堵住而停止工作。这也是在北方，冰箱需要在温暖的室内才能工作，而在室外就停止工作的原因。而在实验室中，常用的制冷工质有液氮和液氦。液氮很便宜，通过压缩空气就可以获得。氮气的液化温度为77K（大约零下190摄氏度）。所以液氮已经可以提供一个大约77K到300K（室温）的低温环境了。再利用液氮挥发过程，估计可以到30-50K的低温了。相比液氮而言，液氦是比较昂贵的。（答主所在的组，一罐液氦大概数千欧元的样子，具体价格不详，这一罐液氦仅仅维持仪器处于低温状态3-4天）液氦只能通过全球有限的几个矿场来获取，所以实验室中都有循环回收系统，要不然玩低温的组都会很快破产的。因为氦气的液化温度为4.2K，再加上挥发技术，可以提供2-300K的低温环境。在这个温区已经有很多有意思的事情发生了。比如超导现象等。还有一种氦的同位素He3（一般使用的大自然中的氦元素以He4为主），它的液化温度更低，大约1K左右，这样使用He3作为工质，我们可以达到0.3-0.4K的低温。在这么低的温度，凝聚态物理中的很多现象的研究就可以开展了。

如果想到更低的温度，蒸发制冷工质这种技术手段就很难实现了。这个时候需要新的技术。当前比较成熟而且大规模应用的是一种被称为He3-He4稀释（dilution）制冷机。这是利用了He3在He4液体中的扩散运动吸收热量的机理来制冷的。这种技术需要He3-He4混合液体处于相分离温区，大概在10-850mK的温区内。所以He3-He4 dilution 只能工作在1K一下。它所能达到的最低温度大约在10mK左右。当然，在实际工作中，由于外界的热辐射无法完全屏蔽，液氦的重新注入过程总是带入一定的热量，所以实验室中能达到40mK已经是极限了。现在凝聚态物理中研究的比较热的一个方向量子自旋液体就主要是用这种技术实现低温的。此外还有量子计算机，因为量子效应只有在极低温才起到主导作用，（在高温段，热扰动淹没了量子效应）所以现在的量子计算机也都是使用He3-He4 dilution来实现低温的。基本上，凝聚态物理研究的绝大部分现象都会在这个温区完成，继续降温不会有太大的变化。然而，人类总是想着不断挑战着极限。更低的温度需要一种被称为磁制冷的技术。经过前期数级制冷方法的降温，在dilution工作的最低温，给研究对象加一个磁场，在瞬间撤去磁场的过程中，因为退磁过程也常常伴随着吸热，这样就可以到1mK以下的温度，我知道的有些组可以达到～10nK的极低温，科学家在这个温区已经能够研究原子核冻结的效应了。具体我也不清楚，只是听同事们说起过。磁制冷技术的民用也是当前凝聚态物理的一个研究热点。说不定过个十来年，我们就可以用磁制冷的电冰箱了，这样再也不用担心氟利昂污染大气破坏臭氧层了。

小结一下，通过不同的技术手段，科学家能实现从室温（300K）到最低温～10nK的量级的温区。

回到题主问题的前半部分。首先绝对零度不可达到，实验室最低温在nK量级。大胆的预测，量子效应应该会统治整个体系吧。在人们征服低温的过程中发现了很多有意思的事情。最直观的就是各种气体的液化和固化。此外还有低温超导现象，He3的超流现象（就是液氦反重力的沿着杯壁向上流动）。磁有序现象。因为很多原子或离子都带有磁性，在构成晶体的时候，由于高温的热扰动，使得这些磁矩像气体一样随机排列。当温度降低到某个特定值的时候，这些磁矩就会像原子组成晶体一样有序的排列起来。大部分磁性材料的磁有序都是在低于室温的时候出现的。所以，找到磁性材料的磁有序温度也是一个研究点。但即使是在mK的温区内，也不是所有的磁性材料都会出现磁有序。当前的一个研究热点就是量子自旋液体。在极低温，由于量子效应明显，高温段起主导作用的热扰动被量子扰动所代替。这种量子扰动就会阻碍磁性材料有序。当然具体的机理还是比较复杂的，这儿就不展开说了。这些量子自旋液体表现出很多我们在传统理论中无法解释的想象。而且它又有很强的长程的量子纠缠特性。近些年发现了很多准粒子（集体激发）具有在粒子物理（高能物理）中预言的基本粒子的性质。人们就用那些粒子的命名这些准粒子。比如磁单极子，Wely 费米子等。似乎可以用凝聚态物理的研究体系来模拟我们这个宇宙。或者，我们这个宇宙就是一些基本粒子的激发吧。

就先到这儿吧。因为本人凝聚态物理磁学相关，主要回答了自己所知道的部分。希望能解答题主的困惑，才疏学浅，欢迎各位批评指正。

绝对零度（absolute zero）是热力学的最低温度，是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是仅存于理论的下限值，其热力学温标写成K，等于摄氏温标零下273.15度（即−273.15℃）。

其实绝对零度的定义便是根据量子力学最低点而来，故而达到绝对零度，物质便达到了量子力学的最低点。

根据热力学定律，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。在此一空间，所有物质完全没有粒子振动，其总体积并且为零。

虽然绝对零度无法达到，但却可以无限逼近，那么逼近绝对零度会发生什么呢？逼近绝对零度的量子最低点是如何的状态呢？

有关物质接近绝对零度时的行为，可初步观察热德布洛伊波长。定义如下：

其中 h为普朗克常数、m为粒子的质量、 k为玻尔兹曼常数、T为绝对温度。可见热德布洛伊波长与绝对温度的平方根成反比，因此当温度很低的时候，粒子物质波的波长很长，粒子与粒子之间的物质波有很大的重叠，因此量子力学的效应就会变得很明显。

爱因斯坦推测将玻色子冷却到非常低的温度后它们会“落入”（“凝聚”）到能量最低的可能量子态中，导致一种全新的相态，是为玻色–爱因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate）。

玻色–爱因斯坦凝聚是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态（物态）。

1995年，麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用气态的铷原子在170 nK（1.7×10−7 K）的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。在这种状态下，几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态，形成一个宏观的量子状态。

所以，所有原子的量子态都束聚于一个单一的量子态的状态被称为玻色凝聚或玻色-爱因斯坦凝聚。

故而，当达到绝对零度，粒子的物质波会达到无限长度，也就是波动性会消失，所有粒子的特性渐渐变成了一个整体，微观的量子态变成了宏观的量子态。

对于发生在绝对零度的相变现象，称为量子相变，而玻色-爱因斯坦凝聚便是量子相变。

1938年，彼得·卡皮查、约翰·艾伦和冬·麦色纳（Don Misener）发现氦-4在降温到2.2 K时会成为一种叫做超流体的新的液体状态。超流的氦有许多非常不寻常的特征，比如它的黏度为零，其漩涡是量子化的，很快人们就认识到超液体的原因是玻色-爱因斯坦凝聚。

当量子液体温度低于某临界转变温度会变为超流体。

超流体是一种物质状态，特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸。

利用玻色-爱因斯坦凝聚的超流体，可以制造液态光。一般来说凝聚的折射系数是非常小的因为它的密度比平常的固体要小得多。但使用激光可以改变玻色-爱因斯坦凝聚的原子状态，使它对一定的频率的系数骤增。这样光速在凝聚内的速度就会骤降，甚至降到数米每秒。

自转的玻色-爱因斯坦凝聚可以作为黑洞的模型，入射的光不会逃离。凝聚也可以用来“冻结”光，这样被“冻结”的光在凝聚分解时又会被释放出来。

量子力学的粒子大致分成两类，除了玻色子之外，还有费米子。逼近绝对零度，玻色子会凝聚在一起，而费米子是互相排斥的。

然而科学家发现了费米子的凝聚态。

费米凝聚（Fermionic condensate）：类似于玻色-爱因斯坦凝聚态，由大量费米子占据同一量子态形成。由于泡利不相容原理，不同的费米子不能占据同一量子态，因此费米子不能像玻色子那样直接形成玻色-爱因斯坦凝聚态。不过科学家把两个费米子结合在一起成为具有玻色子性质的“费米子对”即库柏对，这样使费米子对冷凝，成为费米凝聚。

关于低温记录：

1926年，0.71K。

1933年，0.27K。

1957年，0.00002K。

2003年09月12日，在实验室内，用光子精准轰击原子，让原子动能接近零，达到了仅仅比绝对零度高0.5nk（0.5*10^-9K）的温度。

布莫让星云是人类目前所知的宇宙之中能够找到的最低温度区域，零下272°。

关于零点能：

由于从较低或相同的能量状态之中汲取能量违反了热力学第二定律并造成熵的降低，运用零点能量被科学界认为是不可能的。

关于时间：

熵是在物理学领域中似乎暗示只朝向一个特定行进方向的量，有时被称为时间之箭。随着时间的推移，热力学第二定律：孤立系统的熵状态永远只会增加，不会减少。因此，从这个角度看，熵的测量被看作是一种时钟。

由于绝对零度熵保持基态稳定不变，所以时间也是静止不变的。

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参考

1. ^ https://wikipedia.hk.wjbk.site/wiki/%E7%8E%BB%E8%89%B2%E2%80%93%E7%88%B1%E5%9B%A0%E6%96%AF%E5%9D%A6%E5%87%9D%E8%81%9A
2. ^ https://wikipedia.hk.wjbk.site/wiki/%E7%BB%9D%E5%AF%B9%E9%9B%B6%E5%BA%A6
3. ^ https://wikipedia.hk.wjbk.site/baike-%E7%86%B5

一个世纪之前，莱顿大学的昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）教授第一次将氦气液化，从此打开了极低温物理世界的大门。昂内斯本人也因此而发现汞的超导电性，成为超导第一人。百年来，低温技术不断进步，减压降温、3-He制冷、绝热去磁、稀释制冷等技术逐步出现并商业化，使得温度环境从4.2K逐步推进到1K、500mK、100mK直至10mK以下。

如今，低温技术在材料和基础物理研究中如此之普及，以至于很多科学家无法关注低温技术本身，或认为其理所当有——就如真空技术一样。今天写这篇关于低温，特别是极低温获取技术的普及篇，正是希望更多的人能给予低温技术更多的关注，这将有利于低温技术在国内的进一步发展。

我们为什么需要低温？

混沌初开，我们的宇宙从大爆炸开始，就在不断降温。在这个降温过程中，四种基本的相互作用力分出来了，各种基本粒子分出来了，原子得以形成，物质得以凝聚，星系得以成型......经过了上百亿年的膨胀、冷却，终于成为了现在这个样子。到现在为止，创世之初留下的遗迹，也就是宇宙“微波背景辐射”无处不在。宇宙从爆炸之初极高的温度——连基本作用力都无法区分——冷却到现在微波背景辐射仅2.7K的温度。

可以预见的是，这种冷却还将继续下去。曾经有人（开尔文勋爵，就是上文中温度单位K所致敬的科学家）预言，宇宙终有一日会变成一片死寂，没有光，没有任何运动，因为那时整个宇宙的温度将降至绝对零度——一个能将所有的运动冻结的温度。当然，后来的量子力学告诉我们，涨落是永恒的，即便是绝对零度，仍然会存在量子涨落，粒子仍然会动，光仍然会产生、湮灭。然而，宇宙走向冷却的趋势是不可阻挡的，热力学第二定律的步伐无比坚定，我们的太阳终将黯淡，我们的地球终将失去光明，变成绝望的地狱。

我们来仔细看看这个冷却过程中发生了什么？当温度足够高的时候，一切粒子都是游离状态，它们碰撞、结合，又分离......世界一片混沌。只有当温度降低之后，质子才终于能俘获电子形成氢原子，进一步冷却之后，这些原初的粒子才得以在引力作用下聚合成团，形成恒星这种造物发动机。当恒星内部聚合反应所释放的能量不足以支撑引力时，恒星将会爆炸，喷射出大量重元素。这些重元素在恒星外部的低温环境下重新聚合，分子和晶体开始形成，最终组成行星，比如我们的地球。地球进一步冷却之后，生命终于得以诞生并延续至今。

整个过程中，我们可以看到一条基本的线索：温度在逐步降低，新的凝聚现象则随之逐级发生。从物理学角度看，这是不同的对称性逐渐发生破缺。那我们不禁要问：如果温度进一步降低，还会有哪些凝聚现象会发生？这些新的凝聚现象及其引发的效应，能否为我们带来好处？这是凝聚态物理学家们思考的永恒主题，也是低温技术发展永远的原动力。

低温与量子力学

量子力学的开创与发展，起初与低温没有多少关系。量子力学现象，都是在光子、电子和原子中发现的，这些粒子的能量都很高，远比室温引起的热涨落高得多，因此在室温下就能表现出各种奇妙的量子现象。随着物理学探索进一步向更微观的世界发展，与低温更是渐行渐远，因为打开基本粒子的魔盒，往往需要更高的能量。然而，我们的现实世界终究是宏观的，我们接触到、感知到的，无一不是宏观的物体。既然量子力学能够主导微观世界，而宏观物体又无一不是由微观粒子堆砌而成，那么量子力学又是如何影响宏观世界的呢？

早期的物理学家悲观地发现，一旦进入宏观世界，量子效应就“消失”了。我们不可能用薛定谔方程来求解一杯水是如何形成的，更不可能发现一杯水和另一杯水发生干涉或量子纠缠。接下来一个很自然的问题就是：量子（微观）和经典（宏观）的界限到底在哪里？既然二者分别有一套完善的理论来精确地描述，那它们该如何衔接呢？薛定谔——这位真正的“量子之父”——就曾提出了著名的“薛定谔的猫”思想实验，用来阐释量子和经典放到一起会产生多么荒谬的结果——一只既死又活的、可怜的猫猫。

薛定谔的猫。如果我们认为猫也可以用一个波函数来描述，就会得出诡异的结论：我们总能构造一种测量，这种测量之后，系统会塌缩到一个“死猫”和“活猫”的叠加态，而这显然是不被现实允许的

这种冲突，引领着第二代量子物理学家向包含更多粒子、粒子之间有着各种相互作用的多体体系展开研究。这显然是一个更富有挑战性的工作，大家应该都听说过三体问题：存在相互作用的三体运动问题是混沌的，其运动极其复杂，不能精确求解。更多的粒子岂不是灾难？物理学家们巧妙地采用了其他方法，而不是基于初始条件和运动方程去求解。这其中最具开创性的莫过于玻尔兹曼，他最早从统计学的角度来思考物理问题：即便我们无法了解到每个粒子的运动细节，我们也可以从其集体行为中获取信息。

玻尔兹曼没能活到参与量子力学大厦建立的黄金时代，他在同时代学术界的严重偏见中抑郁自杀了。但这不能阻挡统计物理在研究多体问题和各种宏观现象中取得巨大成功，更不能阻挡后来者站在他的肩膀上继续前行。特别在超导现象出现之后，这种宏观量子效应迫使人们从另一个角度来观察凝聚现象：抛开电子的个体行为，而来看它们的集体行为。这就好比在北京这样的超级城市，如果盯着每个个体的轨迹看，你看到的是包含大量噪音和随机性的个体行为，而只有采用统计学的方法，站在更高的视角，才能发现其中的社会行为趋势。P.W. Anderson有一句名言：“More is different.”——多了就不一样了。其中颇含哲理，无论什么相互作用体系，多了之后就会有新的有序态出现。固体中的电子、群体动物的社会性，一直到恒星聚成星系、星系聚成星系团、星系团组成复杂的宇宙物质网。

而低温，让这些被热涨落掩盖的凝聚现象一点点展现出来。当温度低于某种凝聚现象的特征能量尺度时，这种凝聚现象就会表现出来，惊艳四座。空气，这种无形无相之物，当它逐渐冷却，你会发现水开始凝结成冰，继续冷却，二氧化碳、氧气、氮气、氢气乃至氦气都会凝结。再继续冷却，其中还有新的现象等着你。

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如何获得低温？

对于一个孤立的多体系统，只要设法将其中的能量不断抽取出来，或者说保持能量抽出的速度大于传入的，那么系统的温度就会持续降低。在现代实用技术中，实现低温的方法一般可以分为三大类。

一类是基于气体动力学将热持续地从低温端抽出，比如斯特林制冷机、G-M制冷机、脉冲管制冷机等；
另一类是直接采用低温冷剂来制冷；
还有一类则是利用某些物理化学现象，例如热电效应、顺磁效应、隧穿效应等

拿日常生活中的例子来说，我们家家户户都有的冰箱和空调，就属于第一类制冷技术；而我们喝的冰可乐、冰咖啡，往往是往杯中扔一些冰块来制冷，这就属于第二类；至于第三类制冷方式，就我所知某些饮水机就采用“电子制冷”技术来获得凉水，利用的基本原理就是温差热电效应。

不同的温度区间适合于不同的制冷手段。自从空气液化技术和杜瓦技术成熟之后，采用空气中最主要成分——氮气液化作为制冷剂，成为一种非常便捷实用的制冷技术。在常压下氮气的液化温度为77K，换算成摄氏度是-196度，意味着在这个温度以上，我们都可以采用液氮来进行冷却。由于氮气太容易获取，液氮目前的成本已经比超市的矿泉水还便宜，因此它的应用极为广泛。比如说，医学上常用液氮来对生物组织进行迅速深度冷却，从而能够在不破坏生物活性的情况下长期保存生物样本。中科院物理所的科技开放日上，有一个网红科学小实验，就是将活蹦乱跳的小金鱼浸泡到液氮中，十余秒之后捞出（此时已成冰疙瘩）再放入水中，不一会，这条小鱼就将重新恢复活力。

对于更低的温度，比如零下250度，液氮就无能为力了。此时我们需要液化温度更低的气体来作为“冷媒”。早期用的较多的除液氮外还包括液氖（液化温度27.1K），液氢（20.3K）和液氦（4.2K）。现在液氖和液氢已经退出了历史舞台，只剩下液氮和液氦，这两种气体都具有较高的惰性，使用起来非常安全。说到这里，我想起来我刚进入物理所读研究生时，程老师为我们做实验安全培训，中间讲了一个故事，至今印象极深：

早年物理所低温技术确实在使用液氢。有一次，几位苏联专家发现一瓶已用尽的液氢罐瓶口结了冰，于是就拿酒精灯烤，希望将冰化掉，结果......非常悲惨，他们错误地以为里面没有氢气了，但实际上有残留，并且有泄露，当酒精灯靠近时，巨大的爆炸声响起，小楼被炸开大洞，几位专家当场死亡。还好当时思想教育会议特别多，据说我们自己的科学家们都去别的楼学习了，幸免于难。

目前，低于液氮温度的几乎所有制冷技术，都与氦（He）有关。氦气是一种非常轻的惰性气体，它太轻了，以至于地球的引力根本抓不住它。目前大气层中氦气的自然含量约为百万分之五，这个浓度还将继续降低。氦气的液化温度为4.2K，而即便降到绝对零度，它也不会变成固体。通过降低液氦的蒸汽压，我们还可以进一步降低液氦的温度（目前的技术大约能降至0.8K）。氦气还有一种同位素（3-He），它比普通氦原子少一个中子，可想而知它的丰度就更低了（因为地球引力更不可能抓住它），在天然氦气中3-He同位素占比仅约百万分之一，很难从自然界中分离出3-He来。不过从人工核反应（比如氢的同位素氚衰变后就变成了3-He）中可以获得足够的3-He。

液氦在温度降低到大约2.1K时会进一步发生相变，成为“超流体”，超流体的特点是几乎没有粘滞性。在表面张力作用下，任何与液氦超流体接触的器壁表面，都会爬上一层薄薄的氦膜，这是一个非常有意思的现象，不过已经超出本文的科普范围了，超流现象与一种新的凝聚态——玻色-爱因斯坦凝聚有关，有兴趣的读者可以从其他资料中了解一下。1972年，D. D. 奥舍罗夫（Douglas Osheroff）等人在2mK低温下发现了两个3-He的液态新相，分别称为3He-A和3He-B，它们均为超流体。按照3-He比例多少，我们将这两种相分别称为“浓相”（含3-He多些）和“稀相”（含3-He少些）。因为3-He要轻一些，所以浓相是浮在稀相上面的。人们进一步发现，3-He浓相的焓值（即系统所包含的总热量）要比稀相低，这就意味着，如果一个3-He原子从浓相“渗透”到稀相，就必须从外界吸收一份额外的热量。这一现象，成为了目前商业上可获得的最低温技术——稀释制冷技术的基本原理。

更为神奇的是，实验上发现，即便是温度达到绝对零度，浓相中仍然可以保留约6.4%的3-He，意味着即便温度趋近绝对零度，仍然可以维持稀释制冷过程。这就使得稀释制冷成为一种可以应用到接近绝对零度的制冷技术。目前，商用的稀释制冷机一般可以达到约10mK（仅比绝对零度高0.01度），实验室内经过优化甚至可以达到2mK以下。在这个温度下，热涨落的能量不到百万分之一电子伏，使得大量低能的凝聚现象，以及拥有超精细能级结构的体系量子行为得以让我们一探其奥。

去年，我们的国家自然科学一等奖颁发给了以薛其坤院士为首的五位科学家，以表彰他们在量子反常霍尔效应的实验发现上做出的杰出贡献。这一新奇的量子现象就需要在极低的温度下测量，测量的环境就是由一台稀释制冷机提供。事实上，这个实验是在六年前完成的，当时国内的极低温测试环境非常稀缺，能够做出这样世界级的实验实属不易。

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稀释制冷与量子计算

量子计算是一种全新的计算方式，利用量子力学的叠加性、纠缠性等原理，可以获得远高于经典计算机的计算能力。目前量子计算和量子通信等最前沿的量子信息技术，成为当下科技界和工业界追捧的大热点，以谷歌和IBM公司为代表的科技企业投入大量资源进行量子计算机的研发，更是将量子计算机的研究推向高潮。关于量子计算的科普完全可以作为另一个专题甚至是系列专题讨论，网上也很容易找到不错的科普资料，在这里暂时不做深入讨论，我们还是聚焦到量子计算与稀释制冷技术的关系上。

主要有两种类型的量子计算方案必须依赖极低温环境：一种是超导量子计算，一种是基于半导体量子点的自旋量子计算。这两种技术方案之所以必须要极低温，是因为它们都用到了极为精细的能级结构。以我熟悉的超导量子计算为例，它用到了约瑟夫森电路中超导相位的精细能级，在这种量子电路中，基态到第一激发态的能量差对应的频率大约在4-6GHz（1GHz=109Hz），对应的波长大约为6cm。作为对比，我们可以看一下可见光，绿光的波长大约为500nm，对应的频率大约为6x1014Hz。因此量子计算中用到的光子能量比可见光要小5个数量级！

如此低能的能级，要想保持其中量子态的相干性，环境中的噪声（涨落）就必须远低于这个能级差，接着上面的例子，要想清楚地看到一个量子电路中量子态的相干演化，所需的环境温度需低至30mK以下，当然，越低越好。在这样的高要求下，目前人类掌握的制冷技术基本筛选殆尽，就只剩下稀释制冷了。（当然，还有更为变态的制冷技术——核绝热去磁，对于量子计算而言又有点过剩。）

“首台”商用量子计算机IBM System One，如艺术品一样的玻璃罩里面，隐藏着一台稀释制冷机

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我国的稀释制冷机

稀释制冷技术很早就商业化了，从1951年伦敦（ Heinz London）提出可以利用超流4-He稀释3-He来制冷的理论到现在，已经过去六十余年。到如今，稀释制冷机虽然仍是非常昂贵的设备，但并不稀有了。我国从事低温输运、量子计算研究的几个顶级团队，拥有的稀释制冷机数量达十余台，使得我国在很多前沿基础研究领域保持世界领先地位。然而，遗憾的是，我国目前在稀释制冷技术上仍是空白，据我所知，国内拥有稀释制冷机的科研团队，所用制冷机不出牛津仪器、Bluefors、Janis和莱顿这四家，其中牛津在英国，Bluefors在芬兰，莱顿在荷兰，均在欧洲，Janis则在美国。

比较有意思的是，我国曾经有一个团队——中科院理化所冉启泽先生团队，可以制造稀释制冷机，并且他们制造的制冷机还出口到了美国！很可怜的是，当时为了创汇，卖到美国的稀释制冷机极为廉价，仅约5000美金！时至今日，这个团队中的主要成员已经或去世或退休，后面没有年轻人来继续他们的事业。个中原因，难以辨明，也许只能从那些仍健在的老科学家口中听到了。问题是，有多少人愿意听呢？

我在物理所读博士的时候，结识一位极精明能干的焊工，从前称呼董老师，现在叫他“董哥”。他当年就参与了稀释制冷机的研发工作，其中非常复杂的焊接任务，就是他完成的。很不幸的是，在他48岁那年遭逢横祸，一辆对向行驶的醉驾汽车发生侧翻，之后从空中翻滚飞过隔离带，砸向了他的车，董哥当时七窍流血，不省人事。虽然后来抢救过来了，但因受伤部位刚好是大脑，他忘记了很多人和事，并且至今左臂和左脚行动不便。之前的拿手技艺，转眼化为回忆和谈资，不胜唏嘘！当年研制的稀释制冷机，气体管理控制部分已经清理退库了，如今只剩下一个制冷机主体，日日停放在角落里任尘埃飘落。

令人略感欣慰的是，随着量子计算的“东风”吹过，国内终于有人重提研发稀释制冷机。广东省科技厅甚至发布一个专项，提供千万级别的项目，推动稀释制冷机研发。中船重工旗下的南京鹏力公司与ice-oxford公司合作，将为中科大打造一台“半国产”的稀释制冷机——其中的核心，稀释制冷模块，仍由外方公司提供。

稀释制冷技术算不算“卡脖子”技术？我没法判断，就目前而言，我们还是可以顺利地买到心仪的稀释制冷机的。但我知道的是，假如有一天量子计算技术真的走向了实用，稀释制冷技术将迎来前所未有的市场。如果我们现在不做，将来就会缺席。假如量子计算未来遇到瓶颈，走入低谷，如果我们有自己的稀释制冷技术，相信国内极低温方面的物理探索仍将得到极大的促进。

那么，我们的全国产稀释制冷机还有多远呢？诸君拭目以待吧！

撰文 | 无邪（量子计算领域从业人员）

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欧阳锋是双雕里最牛逼的角色。

首先，杨康曾拜欧阳锋为师，一日为师终身为父。所以欧阳锋是杨康的爸爸。

穆念慈是杨康老婆，所以也要叫欧阳锋爸爸。

杨康与郭靖是金兰兄弟，兄弟的爸爸自然是一个人，所以欧阳锋也是郭靖的爸爸。

郭靖与老顽童是兄弟，所以老顽童要叫欧阳锋爸爸。

老顽童是老王的弟弟，所以老王要叫欧阳锋爸爸。

林朝英是老王的恋人，自然也要叫欧阳锋爸爸。

瑛姑是老顽童的姘头，所以也要叫欧阳锋爸爸。

一灯是瑛姑的丈夫，所以一灯也要叫欧阳锋爸爸。

全真七子是老王的徒弟，所以见了欧阳锋要叫爷爷。

耶律齐是郭靖黄蓉的女婿，也是老顽童的徒弟，所以要叫欧阳锋爷爷。

完颜萍是耶律齐的义妹，所以也要叫欧阳锋爷爷。

郭襄是郭靖黄蓉的女儿，所以要叫欧阳锋爷爷。

金轮法王是郭襄的师傅，可以视作父亲，所以欧阳锋是金轮法王女儿的爷爷，所以金轮法王要叫欧阳锋爸爸。

武三通是一灯的徒弟，所以要叫欧阳锋爷爷。

陆展元娶了是武三通的养女，所以要叫欧阳锋太爷爷。

陆立鼎和陆展元是兄弟，所以陆立鼎也要叫欧阳锋太爷爷。

所以陆无双要叫欧阳锋曾太爷爷。

程英与陆无双义结金兰，所以也要叫欧阳锋曾太爷爷。

黄药师是程英的师傅，也就是父亲，所以要叫欧阳锋太爷爷。

黄蓉是黄药师的女儿，所以也要叫欧阳锋曾太爷爷。

洪七公是黄蓉的师傅，所以要叫欧阳锋太爷爷。

综上所述，双雕里最牛逼的是欧阳锋。

杨过是杨康的儿子，所以要喊欧阳锋爷爷。

杨过是欧阳锋的义子，也就是儿子。

所以欧阳锋要喊欧阳锋爸爸。

其实我还有另一个胡说八道的答案

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