2020年，中科大“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)問(wèn)世，其搭載的百通道超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器（SNSPD）需要配備8臺(tái)GM制冷機(jī)，占據(jù)了半個(gè)房間的空間，讓不少研究人員望而卻步。量子領(lǐng)域是否也有“摩爾定律”？核心設(shè)備體積能否持續(xù)縮??？如今五年過(guò)去，百通道SNSPD的體積有了怎樣的變化？本文將為你揭曉答案。

圖1 “九章”光量子計(jì)算原型機(jī)的SNSPD探測(cè)器

一、認(rèn)識(shí)G-M制冷機(jī)

提及“極低溫制冷”，多數(shù)人會(huì)想到物理實(shí)驗(yàn)室里需兩人環(huán)抱一直冒煙的液氦杜瓦罐。而G-M制冷機(jī)作為商用化最成熟的“小型化極低溫解決方案”，在2K（-271℃）溫區(qū)展現(xiàn)出突出的性?xún)r(jià)比。

1、什么是G-M制冷機(jī)？

G-M制冷機(jī)全稱(chēng)為“吉福德-麥克馬洪制冷機(jī)”，由美國(guó)工程師吉福德（W. E. Gifford）和麥克馬洪（H. O. McMahon）于1960年發(fā)明，基于“回?zé)崾窖h(huán)”工作。它無(wú)需依賴(lài)液氦，僅通過(guò)機(jī)械循環(huán)就能將溫度降至2K。早期G-M制冷機(jī)應(yīng)用于低溫物理研究、超導(dǎo)磁體等領(lǐng)域，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，憑借“小型化、低成本、長(zhǎng)壽命”的特點(diǎn)，成為SNSPD器件的“標(biāo)配低溫源”。

2、G-M制冷機(jī)的“呼吸式制冷”魔法

G-M制冷機(jī)基于“西蒙膨脹”循環(huán)系統(tǒng)，如同“會(huì)呼吸的低溫泵”，通過(guò)四個(gè)關(guān)鍵步驟實(shí)現(xiàn)制冷。

2.1、核心結(jié)構(gòu)：壓縮機(jī)+冷頭，各司其職

圖2 GM 制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

G-M制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)和冷頭兩部分組成：

- 壓縮機(jī)：位于常溫端，是“動(dòng)力源”，將氦氣壓縮至2-3 MPa高壓，同時(shí)通過(guò)水冷或風(fēng)冷散熱，為制冷循環(huán)“打氣”。

- 冷頭：位于低溫端，既是制冷核心，也是 SNSPD 的 “棲息地”，內(nèi)部包含驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)排氣閥、氣缸、活塞（排出器）、回?zé)崞鞯炔考?/span>

冷頭還設(shè)有“兩級(jí)冷臺(tái)”：

? 一級(jí)冷臺(tái)：溫度約40K（-233℃），主要負(fù)責(zé)“預(yù)冷”，攔截室溫的輻射熱和線(xiàn)纜漏熱，是低溫環(huán)境的“第一道防線(xiàn)”。

? 二級(jí)冷臺(tái)：裸機(jī)無(wú)負(fù)載時(shí)溫度可達(dá) 2.0-2.3K，上面搭載一個(gè)金屬圓盤(pán)用于安裝器件，表面經(jīng)鍍金拋光處理，以減少輻射漏熱。

2.2、工作原理：四步循環(huán)，實(shí)現(xiàn)“絕熱降溫”

G-M制冷機(jī)的制冷過(guò)程是“氦氣的壓縮-膨脹循環(huán)”，分為四個(gè)關(guān)鍵階段，恰似一次完整的“呼吸”：

圖3 GM 制冷機(jī)冷卻循環(huán)的四個(gè)階段

l 升壓階段（“吸氣”）：壓縮機(jī)將常溫3 MPa高壓氦氣通過(guò)高壓管線(xiàn)送入冷頭，此時(shí)進(jìn)氣閥打開(kāi)、排氣閥關(guān)閉，氦氣進(jìn)入熱腔和回?zé)崞?，壓力?.1 MPa升至3 MPa，氣體壓縮后溫度升高，類(lèi)似給氣球打氣時(shí)氣球變熱的現(xiàn)象。

l 等壓進(jìn)氣階段（“預(yù)冷”）：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，熱腔中的高壓氦氣被迫流經(jīng)回?zé)崞??；責(zé)崞鲀?nèi)的低溫蓄冷材料（如Er3Ni、HoCu2等磁性材料）比熱容大，快速吸收氦氣熱量，使氦氣溫度從室溫降至約40 K（接近回?zé)崞鳒囟龋S后進(jìn)入冷腔。此階段壓力保持不變，溫度卻大幅下降。。

l 絕熱放氣階段（“降溫”）：活塞到達(dá)氣缸頂部時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉、排氣閥打開(kāi)，冷腔與低壓管線(xiàn)連通，高壓氦氣“卸壓”后在絕熱狀態(tài)下膨脹，根據(jù)熱力學(xué)定律，氣體膨脹內(nèi)能減少，溫度急劇下降，這是產(chǎn)生“極低溫”的關(guān)鍵步驟，類(lèi)似打開(kāi)可樂(lè)瓶時(shí)瓶口結(jié)霜的原理。

l 等壓排氣階段（“排氣”）：活塞向下運(yùn)動(dòng)，冷腔中的低壓氦氣被推出，流經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)將熱量傳遞給蓄冷材料（為下一次循環(huán)預(yù)冷），自身溫度升至室溫，最終通過(guò)排氣閥排出，完成一次循環(huán)。

這四個(gè)階段以1-2 Hz的循環(huán)頻率不斷重復(fù)，冷頭溫度逐漸降低并穩(wěn)定在2 K。實(shí)際循環(huán)中因回?zé)崞髯枇?、閥門(mén)延遲等因素影響，存在少量能量損失，制冷量低于理想值。

二、核心參數(shù)：衡量G-M制冷機(jī)的“硬指標(biāo)”

要了解G-M制冷機(jī)“能塞多少SNSPD”，需先看懂其關(guān)鍵參數(shù)，這些數(shù)據(jù)直接決定制冷機(jī)“承載能力”，是工程師設(shè)計(jì)多通道系統(tǒng)的核心依據(jù)。

 1. 制冷性能參數(shù)：決定“能扛多少漏熱”

l 最低制冷溫度：裸機(jī)無(wú)負(fù)載時(shí)，二級(jí)冷臺(tái)最低溫度通常為2.0-2.3K，受個(gè)體差異和冷頭朝向影響。

l 制冷量：指冷臺(tái)在特定溫度下能帶走的最大熱量，主流型號(hào)額定制冷量為0.1W@4.2K。該數(shù)值決定總漏熱上限，如0.1W制冷量意味著所有組件漏熱總和需遠(yuǎn)小于100mW。

l 降溫時(shí)間：從室溫300K降到2.3K，裸機(jī)通常需1.5-2小時(shí)，帶負(fù)載時(shí)約8小時(shí)，降溫速度越快，系統(tǒng)啟動(dòng)效率越高。

 2. 結(jié)構(gòu)參數(shù)：決定“能裝多少組件”

- 二級(jí)冷臺(tái)尺寸：作為SNSPD的“棲息地”，通常設(shè)計(jì)為直徑15厘米左右的圓盤(pán)，面積約180 cm2。

- 冷頭高度：一級(jí)冷臺(tái)到二級(jí)冷臺(tái)的距離約15-20厘米，決定射頻線(xiàn)、光纖的走線(xiàn)長(zhǎng)度（通常為15-50厘米）。

3. 運(yùn)行參數(shù)：決定“長(zhǎng)期可靠性”

- 連續(xù)運(yùn)行時(shí)間：商用G-M制冷機(jī)設(shè)計(jì)壽命約15000小時(shí)，期間無(wú)需維護(hù)，適合SNSPD“7×24小時(shí)”不間斷工作。

- 振動(dòng)水平：冷頭運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅度約10-50μm，遠(yuǎn)低于SNSPD的敏感閾值（>100μm），不影響光子耦合精度。

- 功耗：壓縮機(jī)功耗約1.2 kW，冷頭無(wú)額外功耗，整體功耗與家用空調(diào)相當(dāng)，適合實(shí)驗(yàn)室部署。

三、GM制冷機(jī)的“擴(kuò)容革命”

“一個(gè)G-M制冷機(jī)里能塞多少SNSPD”的答案不斷被刷新，從早期16個(gè)，再到如今的100個(gè)，背后是G-M制冷機(jī)“漏熱控制”和“空間優(yōu)化”的技術(shù)突破。

1、早期瓶頸：漏熱與空間的“雙重限制”

早期G-M制冷機(jī)僅能容納16個(gè)SNSPD，核心瓶頸有兩個(gè)：

l 射頻線(xiàn)漏熱：早期使用半剛性鈹銅同軸電纜，30厘米長(zhǎng)漏熱達(dá)0.66 mW/根，若采用16根，漏熱達(dá)10.56 mW，接近制冷量的10%。

l 封裝體積大：體積約1.5 cm3/個(gè)，15厘米直徑的冷臺(tái)最多裝30個(gè)，且需預(yù)留線(xiàn)纜空間，實(shí)際僅能裝16個(gè)左右。

2、突破1：射頻線(xiàn)“瘦身”

核心突破是用“低溫柔性帶狀線(xiàn)”替代傳統(tǒng)鈹銅電纜：

l 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：內(nèi)外導(dǎo)體用直徑僅幾十微米的鈹銅（比同軸電纜小一個(gè)數(shù)量級(jí)），介質(zhì)層用低熱導(dǎo)率的聚酰亞胺。

l 漏熱實(shí)測(cè)：15厘米長(zhǎng)的帶狀線(xiàn)漏熱僅0.137 mW（4.2K~40K），是鈹銅電纜的1/5。

l 空間優(yōu)化：15厘米長(zhǎng)的帶狀線(xiàn)可直連一級(jí)（40K）和二級(jí)（2K）冷臺(tái)，無(wú)需盤(pán)繞，節(jié)省大量空間。

這一突破使16根射頻線(xiàn)總漏熱從10.56 mW降至2.2 mW，對(duì)應(yīng)100根射頻線(xiàn)的總漏熱為14 mW左右。

圖4 (a)低溫同軸線(xiàn)系統(tǒng) (b)低溫柔帶線(xiàn)系統(tǒng)

3、突破2：SNSPD“迷你封裝”

最后，通過(guò)優(yōu)化SNSPD封裝方式，將體積減半：

- 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：用直徑2.5毫米的陶瓷插芯實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)封裝方式，封裝體積從1.5 cm3降至0.7cm3，減少50%。

- 密度提升：15厘米直徑的冷臺(tái)可裝載100個(gè)器件，通道密度達(dá)0.5個(gè)/cm2。

圖5 SNSPD封裝對(duì)比

4、最新進(jìn)展：百通道SNSPD探測(cè)系統(tǒng)

中科院上海微系統(tǒng)所SNSPD團(tuán)隊(duì)在冷腔中集成100通道SNSPD器件，最低溫小于2.5 K，可同時(shí)支持大規(guī)模SNSPD器件并行工作和小型化SNSPD相機(jī)工作。

圖6 百通道SNSPD探測(cè)系統(tǒng)原型機(jī)

四、未來(lái)展望：GM制冷機(jī)還能“塞”多少SNSPD？

目前單臺(tái)GM制冷機(jī)里面已可以實(shí)現(xiàn)百通道SNSPD的集成，但G-M制冷機(jī)和SNSPD的潛力不止于此。未來(lái)，G-M制冷機(jī)或許能容納200個(gè)甚至300個(gè)SNSPD，這需要在以下三個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)突破：

1、SNSPD“陣列化”

未來(lái)SNSPD可能從“單個(gè)封裝”變?yōu)椤捌详嚵小保瑢⒍鄠€(gè)SNSPD集成在一塊芯片上（如2×2、4×4陣列），同時(shí)采用光纖陣列等辦法實(shí)現(xiàn)多個(gè)器件共享一套射頻線(xiàn)和光纖；

2、冷臺(tái)“3D化”

當(dāng)前二級(jí)冷臺(tái)為平面圓盤(pán)，未來(lái)可能升級(jí)為“3D環(huán)形冷臺(tái)”，在二級(jí)冷臺(tái)周?chē)迎h(huán)形冷板，SNSPD垂直布置在環(huán)形板上，空間利用率提升N倍；

3、高溫區(qū)SNSPD

通過(guò)調(diào)節(jié)材料比例、生長(zhǎng)條件等參數(shù)或者基于更高溫區(qū)的超導(dǎo)材料研發(fā)SNSPD器件，有望實(shí)現(xiàn)SNSPD在更高溫度良好工作，比如4.2K、10K甚至20K，漏熱需求可大幅降低；

五、結(jié)語(yǔ)

從16個(gè)到100個(gè)，再到未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)的200個(gè)，GM制冷機(jī)容納SNSPD數(shù)量的每一次突破，都標(biāo)志著量子探測(cè)集成化的進(jìn)步。GM制冷機(jī)的價(jià)值遠(yuǎn)不止“裝得多”，它更是量子技術(shù)從“實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没钡年P(guān)鍵橋梁。它將百通道系統(tǒng)成本從千萬(wàn)級(jí)降至百萬(wàn)級(jí)，讓量子計(jì)算、量子通信的“規(guī)模化”成為可能，既為量子技術(shù)撐起了一片“極寒天地”，也為人類(lèi)探索微觀世界開(kāi)辟了更廣闊的空間。

參考文獻(xiàn)

【1】 https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E8%B6%85%E4%BD%8E%E6%B8%A9%E5%86%B7%E5%8D%B4#