量子冷却技术：科学家改进常规实验室制冷设备，实现更快速、更节能的冷却

研究人员在国家标准与技术研究所（NIST）对常用于科研和工业的冰箱进行了修改，大幅减少了将材料冷却至接近绝对零度的时间和能源消耗。他们表示，这一原型设备目前正在与工业合作伙伴商业化，并预计每年可节省约2700万瓦特的电力、全球3000万美元的电费以及足够填满5000个奥林匹克游泳池的冷却水。

超低温制冷对许多设备和传感器的运行至关重要，从稳定量子比特（量子计算机中的基本信息单位）到保持材料的超导性能以及使NASA詹姆斯·韦伯空间望远镜保持足够低温观测天空。几十年来，脉管制冷器（PTR）一直是实现像外层空间真空那样冷的温度的主力设备。

这些冰箱周期性地压缩（加热）和扩张（冷却）高压氦气，实现了“大冷却”，在广义上类似于家用冰箱利用氟利昂从液体到蒸汽的转变来去除热量。脉管制冷器已经证明了其可靠性超过40年，但它也是耗电量巨大，消耗的电力比超低温实验的任何其他部件都要多。

当NIST研究员Ryan Snodgrass和他的同事们仔细研究这个冰箱时，他们发现制造商只在其最终操作温度4开尔文（K）或绝对零度以上4度时才构建了该设备以节能。团队发现这些冰箱在较高温度下效率极低，这是一个大问题，因为冷却过程始于室温。

在一系列实验中，Snodgrass和NIST科学家Joel Ullom、Vincent Kotsubo和Scott Backhaus发现，在室温下，氦气的压力非常高，以至于有些氦气通过减压阀排出，而不是用于制冷。通过改变压缩机与冰箱之间的机械连接，团队确保没有任何氦气被浪费，大大提高了冰箱的效率。

特别是，研究人员不断调整控制从压缩机流向冰箱的氦气量的一系列阀门。科学家们发现，如果他们允许这些阀门在室温下开启更大的通道，然后随着冷却过程逐渐关闭它们，他们可以将冷却时间缩短到现在的一半到四分之一。目前，科学家们必须等待一天甚至更长时间，新的量子电路才能冷却到足够低温进行测试。由于科学研究的进展可能会受到达到低温所需时间的限制，这项技术带来的更快冷却速度可能会广泛影响包括量子计算和其他量子研究领域在内的许多领域。NIST团队开发的技术还可以让科学家用更小的脉管制冷器替换大型脉管制冷器，后者需要更少的支持基础设施，Snodgrass说。

随着量子计算研究的增长以及其对低温技术的依赖持续增加，对这些冰箱的需求将大大扩展。改良后的脉管制冷器将能够节省更多的金钱、电能和冷却水。该设备不仅支持蓬勃发展的量子经济，还能加快研究，因为科学家们不再需要等待数天或数周才能让量子比特和其他量子组件冷却到位。