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低温学简史及其对量子计算行业的影响
在飞速发展的量子技术领域，低温学是一个不可或缺的迷人领域，它推动了低温物理学的发展：利用极冷的力量，这一开创性领域在发掘量子现象的真正潜力方面发挥着举足轻重的作用。
这一研究领域起源于20世纪初，此后成为了解量子现象、开发超导体和量子计算等先进技术的重要研究领域。
海克·卡默林赫·翁内斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853-1926年）是荷兰物理学家，因其在低温物理学领域的开创性工作而闻名于世，他在20世纪初取得了一项非凡的成就，成为成功液化氦气的第一人。这一开创性的成就为研究物质在极低温条件下的特性奠定了重要基础，这也是低温学领域的一个基本方面。
该科学领域的另一位杰出人物是前苏联物理学家列夫·朗道（1908-1968年）。朗道的贡献主要集中在凝聚态物理学领域，特别是超流和超导领域；他对液氦在极低温度下行为的洞察，对推动量子低温学的前沿发挥了举足轻重的作用，尽管他的主要关注点并不是低温学本身，而是低温下的物质研究。
同样值得称道的还有约翰·巴丁(1908-1991)、莱昂·库珀(1930-)和约翰·罗伯特·施里弗(1931-2019)，这三位物理学家在1957年的合作努力下提出了BCS理论，并因此于1972年获得诺贝尔物理学奖。这一开创性理论为特定材料冷却到低温时表现出的超导现象提供了优雅的解释。BCS理论以其创造者的名字命名，复杂地描述了电子库珀对的形成，使它们能够在材料中无摩擦地运动——这是量子低温领域的一个基石概念。
戴维·李(David Lee，1931-)、道格拉斯·奥谢洛夫(Douglas Osheroff，1945-)和罗伯特·C·理查森(Robert C. Richardson，1937-2013)组成的三人小组极大地丰富了这一领域。他们在1972年取得的重大突破是在超低温下发现了氦-3的超流动性。这一成就不仅为他们赢得了享有盛誉的1996年诺贝尔物理学奖，还拓展了量子低温研究的视野、开创了一个充满可能性的新时代。
埃里克·康奈尔(Eric Cornell，1961-)和卡尔·维曼(Carl Wieman，1951-)做出了显著贡献，量子低温研究继续向前发展。1995年，康奈尔和维曼与沃尔夫冈·凯特尔(Wolfgang Ketterle)合作，取得了一项具有里程碑意义的成就：首次创造出玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)。当玻色子（具有积分自旋的粒子）的稀释气体冷却到接近绝对零度时，这种非凡的物质状态就会形成。他们的杰出成就标志着低温学领域的一个深远里程碑，并于2001年获得诺贝尔物理学奖，证明了其重要意义。
低温学仍然是一个快速发展的领域，目前正在进行的研究探索材料在超低温下的量子行为。上述关键人物以及马克斯·普朗克、阿尔伯特·爱因斯坦和沃尔夫冈·泡利等许多其他人士的努力，为基础量子物理学和量子技术的实际应用铺平了道路。
现在，让我们一起进入低温学的寒冷前沿，在这里，量子应用的未来充满希望。
在量子技术领域，低温技术已成为尖端研究和实际应用的关键推动因素。
我们将量子低温学定义为低温学的一个专门分支，其重点是将量子系统冷却到接近绝对零度（0 开尔文或 -273.15°C）的极低温度。通过利用量子力学原理，研究人员可以在这种温度下利用物质的非凡特性，释放某些量子设备的全部潜能。在这些极端条件下，量子粒子会表现出独特的行为，实现持久的相干性和纠缠性：这是量子计算、量子传感和量子通信的基础。
低温技术在稳定量子态和减少退相干方面发挥着核心作用，从而推动各种量子技术取得令人兴奋的进步，有望对材料科学、密码学和药物发现等不同领域产生革命性影响。
量子计算的主要障碍之一在于维持量子信息的构建单元——量子比特的微妙量子态。事实证明，低温冷却技术有助于实现保持量子比特相干性和减少噪声所需的条件，这对准确执行量子算法至关重要（但目前似乎还需要克服系统纠错方面的重要障碍）。
该领域的专家已转向低温技术，以解决因量子比特与其环境相互作用而导致的臭名昭著的退相干问题。通过将量子处理器冷却到接近绝对零度的温度（通常低于1开尔文），可大大减少导致量子比特丢失量子信息的振动和热激发。这为实现更持久、更可靠的量子态铺平了道路，大大提高了量子计算性能和错误率，从而使量子计算更接近实际应用。
此外，低温技术的影响不仅限于解决退相干问题，它还能探索以前难以观测到的奇异量子现象。在专门的低温环境中，研究人员创造并操纵了拓扑量子比特等奇异的物质状态，这些状态对局部扰动表现出鲁棒性，为容错量子计算带来了巨大希望。低温技术在发掘这些新型量子比特的潜力和推动量子信息科学的发展方面发挥了至关重要的作用。
低温工程的进步使量子计算系统更具可扩展性和可访问性。低温冷却整个量子处理器曾经是一项艰巨的技术挑战。不过，随着低温技术的不断创新，研究人员现在可以设计和建造更紧凑、更节能的低温系统，以便与更大型的量子计算基础设施集成。
随着量子产业不断攻克计算和通信领域一些最棘手的问题，低温技术始终处于这一革命性历程的最前沿。它对量子计算性能的影响不仅使我们更接近于解决复杂的现实世界问题，还为量子技术奠定了坚实的基础，而量子技术可能会重塑各行各业，并为未来带来前所未有的可能性。量子计算与低温技术的结合让我们看到了尖端技术的变革力量，推动我们迈向计算与创新的新时代。
下面我们将介绍一些现有的低温冷却技术：
- 低温冷却器
这些设备处于将量子系统冷却到低温的最前沿，使研究人员和工程师能够利用量子力学的非凡特性实现突破性应用。低温冷却器是元件在进入稀释制冷器等专门的低温环境之前进行初步冷却的重要工具。
- 稀释制冷(DR)
稀释制冷(DR)采用两种氦同位素：氦-3(³He)和氦-4(⁴He)的混合物。利用这些同位素独特的相分离特性，可以从样品或设备中汲取热量，从而达到极低的温度。这种方法可应用于各种研究领域，包括低温物理学和量子计算等领域。
- 绝热消磁制冷(ADR)
ADR是一种利用磁性物质发生绝热（无热交换）退磁时产生的冷却效应的技术。通过应用强磁场使原子磁矩对齐，然后再降低磁矩，利用材料的热能来超越磁相互作用，最终达到冷却的目的。ADR 可用于太空望远镜、卫星仪器和特定的低温研究。
- 脉冲管制冷
脉冲管制冷是利用机械装置在密封气路中产生高频压力波的一种方法。振荡压力波促使气体在膨胀和收缩之间交替，从而产生温度波动，可用于冷却目的。脉冲管制冷经常用于低温泵、空间仪器和特定的工业环境。
这一尖端领域已在多个领域找到了实际应用，为量子研究和发展带来了革命性的变化。
量子低温技术的主要应用之一是量子计算。量子计算机依赖于量子比特，这种微妙的量子比特极易受到外部噪声和退相干的影响。通过将量子处理器冷却到接近绝对零度的温度，低温技术有助于减轻热噪声，增强量子比特的相干时间，为实现更稳健的量子计算铺平道路。这一突破有可能改变各行各业，实现先进的模拟、优化任务和密码学，而这些曾被认为是经典计算机无法实现的。
此外，低温技术在量子通信领域也被证明是无价之宝。量子密钥分发(QKD)协议利用量子力学原理来确保无法破解的加密，需要远距离传输量子信号。然而，当这些信号通过各种介质时，可能会出现损耗和错误。通过采用低温冷却，研究人员可以管理并可能延长量子信号的相干性，最大限度地减少传输过程中的损耗，显著提高量子通信网络的安全性和可靠性：这将对金融、国防和数据隐私等领域的安全通信产生深远影响。
低温技术的另一个令人兴奋的应用案例是量子传感和计量。量子传感器旨在探测磁场或引力波等物理量的微小变化，容易受到环境干扰。通过精确冷却，量子低温技术能够制造出具有增强量子相干性的超灵敏传感器，将其性能提升到前所未有的水平。这一突破有可能推动地球物理学、医学成像，甚至寻找地外生命等多个领域的发展。
总之，低温技术已经成为一种变革性技术，为量子行业中一些最具挑战性的问题提供了切实可行的解决方案。通过在超低温下保存粒子的微妙量子态，低温技术将量子计算、通信和传感推向了新的高度。随着研究人员不断推动这一领域的发展，预计它对技术进步和科学发现的影响将是革命性的。
目前，低温技术的挑战包括：
1）极端的冷却要求
量子系统通常在接近绝对零度（0开尔文或-273.15°C）的温度下运行，需要复杂的冷却技术来消除热噪声并增强量子相干性。
2）散热和泄漏
低温环境给量子处理器的散热带来了挑战。此外，低温恒温器的绝缘问题也会导致热泄漏，影响系统的稳定性和性能。
3）可扩展性问题
随着量子比特或量子元素数量的增加，量子系统的扩展会带来额外的冷却复杂性，从而导致更高的冷却功率要求以及在整个系统中保持均匀性的潜在挑战。
4）低温恒温器的设计和制造
设计和制造可容纳复杂量子硬件的低温恒温器，同时最大限度地减少热损失，是一项艰巨的工程任务。
低温技术的创新包括：
1）稀释制冷
稀释制冷技术的创新大大提高了量子系统的冷却能力。通过混合氦的同位素，稀释制冷器可以达到超低温，为量子处理器提供更高的热稳定性。
2）绝热消磁制冷(ADR)
ADR是一种新型冷却技术，它依赖于某些材料的绝热消磁过程。它可以将量子系统冷却到极低的温度，而不需要其他昂贵而复杂的低温技术。
3）低温冷却器的进步
低温冷却器取得了重大进展，能够在低温条件下进行更有效的冷却。这些创新为量子系统提供了更实用、更紧凑的冷却解决方案，便于集成和扩展。
4）材料和绝缘材料的改进
研究人员一直在探索新型材料和绝缘技术，以减少热量泄漏并改善低温恒温器的热管理，从而为量子处理器提供更可靠、更高效的冷却。
值得业界庆幸的是，该领域有几家创新型公司正在解决当今低温学和量子计算冷解决方案领域最棘手的问题，如牛津仪器公司、Kiutra公司、蒙大拿仪器公司等......他们都拥有一些令人兴奋的技术。
低温学是一个植根于低温物理学的迷人领域，在发掘量子现象的潜力方面发挥着至关重要的作用。从Heike Kamerlingh Onnes和Lev Landau等名人的开创性工作，到玻色-爱因斯坦凝聚态的创造等现代突破，这一快速发展的学科不断塑造着量子产业。
利用低温冷却技术解决了在量子计算中保持量子比特相干性的关键挑战。低温工程和材料方面的创新进一步实现了可扩展的高效量子系统。随着研究人员攻克难关，低温技术有望在材料科学、密码学等领域实现革命性应用。
参考链接：[1]https://www.technologysi.stfc.ac.uk/Pages/ASD_PEG_Cryogenics.aspx[2]https://thequantuminsider.com/2023/09/12/cryogenics-a-short-history-the-implications-it-has-on-the-qc-industry/
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