■ 本报记者 周林怡 谢丹颖

　　通讯员 王紫璇

　　如果把量子芯片比作一个高速运转的超级大脑，那么极低温环境就是它的“恒温舱”和“静音房”——屏蔽外界杂音，创造稳定工作的物理条件。

　　脉管制冷机，正是提供这种极低温环境的关键装备。

　　日前，在位于杭州的白马湖实验室，研究员、博士方凯带领团队创新采用单一气库技术路线，研制出制冷量达1.5瓦的脉管制冷机，并正式通过量产验证。它就像一台“超级冰箱”，能够在45分钟内将环境温度降至4.2开尔文（一种热力学温度单位），也就是约-269℃的极低温。在这一温区，1.5瓦制冷量代表国际主流产品水平，而该设备的实际制冷量达1.8至2瓦，核心指标达到国际同类产品先进水平。

　　长期以来，脉管制冷技术和机器核心组件的研发，是制约我国量子计算、精密仪器等产业发展的“卡脖子”环节。如今，这台可量产的“超级冰箱”，将为极低温世界中的科研打造新的发展空间。

　　跨过“分水岭”

　　4.2开尔文，是物理世界的一道“分水岭”。

　　跨过它，材料就会一改常态：电阻消失，超导现象出现；量子态也一改“转瞬即逝”的“毛病”，稳定时间大幅拉长，为量子计算机留足了施展算力的空间。

　　脉管制冷机的独特之处在于，它的冷端没有运动部件，完全依赖外部压缩机或切换阀产生压力波，通过相位调谐实现制冷。简单来说，它用气流运动替代了机械运动，大幅降低了振动和磨损，这正是量子计算等“怕打扰”的精密实验最看重的特性。

　　记者观察眼前这台国产“超级冰箱”，结构并不复杂，主要由压缩机、旋转阀和冷头三部分组成。其中，旋转阀是关键中的关键，控制着循环气流的相位和流向。小巧的金属阀体上排列着近20个孔洞，位置分布看似随意，却很有讲究，最精密处的加工误差不超过0.005毫米，大约是一根头发丝直径的二十分之一。“原理并不复杂，难点在于通过流道与气孔的配合，让不同区域的气团协同运动，最终实现制冷。这需要反复计算和试验。”方凯说。

　　但这台机器的意义，远不止“制冷”。它更像是为量子计算、核聚变、高精度探测等前沿领域提供一个装备底座。当这些技术从实验室验证走向更大规模应用时，必须有稳定、可靠、可批量交付的极低温环境作为支撑。

　　长期以来，脉管制冷技术和机器核心组件被国外垄断，制约着我国高端产业发展。一台实验用的制冷机可以买得到，但要做千比特级别的量子芯片、可纠错、可扩展的系统，核心器件的缺失或交付周期的不可控，会影响整个研发节奏。

　　2024年起，方凯把多年的理论积累与工艺经验，投入到设备的自主研发上。“旋转阀里每一个流道的走向、每一个孔洞的位置，都是我们亲手推敲出来的。”今年3月，设备在实验室完成性能验证，制冷量、降温速度、功耗等指标均达到国际先进水平。

　　自己动手改进工艺

　　设计完成后，制造环节同样棘手。由于国内缺少成熟供应商，外购部件常达不到实验要求，团队不得不自己动手改进工艺。

　　“有些设计方案理论上没问题，但机械加工、焊接工艺根本落不了地。”方凯说，加工出来的设备合格率很不稳定，有时加工5套设备，仅成功1套；简化工艺，又可能牺牲部分核心性能。他们只能一遍遍迭代结构，反复琢磨：性能达标了，工艺稳定吗？良品率能上来吗？

　　反复试验中，方凯总提到一个词：“无感替换”。意思是，让用户无需修改任何接口，就能直接换用国产设备。为此，团队在外形和外部结构不变的前提下，重新设计了内部构造。“如果我们做得跟别人不一样，用户就要改设计、调结构，成本太高了。”

　　没有成熟经验可以参照，团队遇到过各类“稀奇古怪”的故障。

　　一次常规实验中，刚完成设计变更的新设备性能不升反降。团队做了5轮重复试验，逐一排查可能原因，问题依然存在。方凯不甘心，带着大家继续琢磨，最终在对结构本体的诊断中发现：一级流道阻力竟大于二级，这在设计上本不该出现。借助光学设备和流体测量技术，病灶终于定位——一级流道焊口处有微量焊料溢出，像“血栓”一样堵塞了“血管”。这种制造工艺上的问题，无法在设计阶段预见，只能靠反复测试才能暴露。团队随即调整了焊接工艺参数，确保每一台设备的焊口内部都“畅通无阻”。

　　另一个拦路虎，是制冷机的核心部件回热填料。那是一层一层薄如纸的金属丝网，一台机器要用数千片。不同批次的原料质量不稳定，丝网稍有不平整或不洁净，整机性能便大打折扣。实验早期，方凯和团队曾花一个下午，从5000多片丝网中手工筛选出2000多片合格品。

　　“国产化没有捷径。”方凯说，“必须从原材料到工艺的每一个环节，自己走一遍。”

　　从“手搓”走向量产

　　造出样机，只是第一步。真正的考验在于，让设备告别实验室里“手搓”的精度波动，以稳定一致的品质批量走向产线。

　　“从实验室样品到量产产品，工艺稳定性和长期可靠性是最大的两道坎。哪支队伍解决了量产问题，哪支队伍就在这一领域走在了世界前沿。”在这一领域深耕30余年的浙江大学能源工程学院教授甘智华说。目前，国内南京、合肥、广州等地也有团队在探索脉管制冷技术，但距离大批量生产仍有距离。

　　为了解决一致性和批量稳定性问题，方凯团队反复进行结构迭代和工艺验证。测试中他们发现，丝网片工艺定型不稳定是主要“瓶颈”。原来的方案采用模具冲压，剪切后的材料边缘残留毛刺。“肉眼未必看得见，但装在设备里，每一片差一点点，产品一致性就会有差异。”方凯说。最终，他们放弃了冲压方案，改用切割工艺，使得新版样品边缘光滑平整。

　　今年7月，方凯团队再次取得了核心工艺突破，制冷机核心性能在处于4.2开尔文的低温环境时，能稳定提供1.8至2瓦的制冷量。这进一步提升了系统的性能冗余，使之成为一台可以稳定交付的工业级产品。

　　这也意味着中国团队不仅解决了“可行”问题，更在一定程度上攻克了“可复制”“可商用”的难题。

　　“目前，脉管制冷机的直接用户主要是量子超导计算实验室，用量虽小，但战略价值极高。长远来看，一旦量子计算从实验室走向商业化，半导体制造、医用核磁共振，甚至城市大脑的超算中心，都离不开极低温环境。到时候，设备的需求量将大幅提升。”甘智华分析。

　　从更宏观的视角看，量产能力和性能长期稳定性的突破，不仅是技术成熟度的跨越，更意味着供应链稳定性和国产化水平的提升。同时，国产化突破形成的技术溢出效应，也将带动国内精密加工、低温材料、流体控制等配套产业的协同升级，让中国的量子产业链不再依赖进口设备的“输血”。

　　这台“超级冰箱”正在从实验室走向更广阔的产业天地。