绝对零度之所以被称为宇宙级的挑战，主要是因为它定义了物质运动的最低限度。每一杯水看似平静，实则包含着约1.6×10²⁵个水分子在每秒进行碰撞，这种分子运动随着温度升高会变得越发剧烈，达到100℃时就会沸腾；而一旦降到-273.15℃，所有分子就会完全静止下来。尽管量子涨落让绝对零度无法在现实中实现，但这依然是科学家追求的目标。 温度的本质在于原子和分子热运动的平均动能。每个粒子在三维空间中拥有x、y、z三个自由度，每个自由度对应着1/2kBT的能量。当温度降低时，引力会首先分离，强相互作用随后退场，电磁力与弱力最后才会接手。宇宙大爆炸后，四种基本力被统一在一起，随着温度下降对称性一次次破缺，物质才逐步凝聚成现在的模样。 荷兰物理学家昂内斯在1911年成功液化氦气并把温度降到了4.2 K，这一成就直接催生了超导现象的发现。此后科学家们不断“降温修仙”：杜瓦发明了真空绝热瓶保存低温物质，卡耶泰利用焦耳-汤姆森效应把氮气冷却到-196 ℃，昂内斯又接力把氦气进一步降温。到了毫开量级时稀释制冷机发挥了关键作用——它通过提纯微量氦3并利用两相分离带走热量，把量子比特送入了10 mK的低温环境中。目前国内多家实验室已突破这一难关，稀释制冷机从昂贵的奢侈品变成了商业化产品。 虽然国内曾把稀释制冷机视为“卡脖子”技术，但实际上氦3才是真正的硬骨头。全球仅有美国和俄罗斯掌握了商业化提取技术并对华施加配额限制。相比之下一台700 MWe的重水堆一年只能产生0.1–0.7立方米的氦3，而稀释制冷机每年消耗的氦3仅为二三十升。美国国家科学基金会已经开始行动，鼓励开发替代极低温技术或寻找氦3的替代来源。 面对氦3短缺的难题，国内有两条自救路线可选。第一条是在核反应堆中寻找答案：重水堆里的热中子轰击氘核可以生成氚，氚经过β衰变会变成氦3。只要做好覆盖气体循环系统就能从重水堆尾气中提取氦3以实现连续量产。第二条路线是另辟蹊径发展新的低温技术：核绝热去磁和顺磁盐去磁等技术已经把温度压到了1 mK以下。 尽管热力学第三定律早就表明绝对零度无法通过有限步骤达到，但科学家依然在努力将原子系综的温度降到微开量级——这就是超冷原子研究。尽管这种物质主要用于量子模拟而不是计算领域，但这也标志着人类在微观世界探索的脚步从未停止。 稀释制冷机带来了技术突破也埋下了隐患：如果不能解决氦3供应问题，量子计算规模一旦扩大就会出现严重短缺。这不仅需要从地下开采也需要从天上寻找替代资源；不仅要依赖国外进口也需要自主研发替代方案；不仅要仰望星空也需要脚踏实地进行技术攻关。 中国科学院物理研究所成功研制出了无液氦稀释制冷机原型；昂内斯和杜瓦为降温立下汗马功劳；焦耳和汤姆森则通过实验揭示了气体冷却的奥秘；美国国家科学基金会已经着手布局未来发展方向；荷兰科学家在低温领域取得了开创性成就。这些事实都说明了一个道理：科学研究永无止境。 1911年昂内斯发现超导现象标志着现代低温物理的开端；MW代表兆瓦级别的重水反应堆产气量；MWe指兆瓦时的发电量规模；MW也用于表示兆瓦级别的功率容量。 故事并未结束：未来我们或许能看到“稀释制冷+自主低温源”的混合方案出现；量子比特可能会被送入更深的低温环境；人类对微观世界的认识可能会因此得到极大提升；探索极低温的旅程还将继续下去。