量子計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展,使得稀釋制冷機(jī)的需求量大幅增加,也因此進(jìn)入越來(lái)越多人的視野。稀釋制冷機(jī),這一目前唯一商業(yè)化的10mK量級(jí)極低溫設(shè)備。三年前,我曾寫(xiě)過(guò)一篇《接近絕對(duì)零度的死寂,卻是探索量子計(jì)算的秘境》,一個(gè)小心愿是希望這一技術(shù)能得到更多人的關(guān)注,促進(jìn)國(guó)內(nèi)極低溫技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化。如今,筆者很欣慰地看到,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有好幾家單位造出了自己的稀釋制冷機(jī),極低溫也突破了10mK關(guān)口,形勢(shì)喜人。時(shí)隔三年,我還是想再寫(xiě)一篇,有些內(nèi)容或有重復(fù)之處,但我的小心愿卻有了微妙的變化:我希望國(guó)內(nèi)相關(guān)部門(mén)和人員能夠意識(shí)到,僅僅突破稀釋制冷技術(shù)是不夠的,在極低溫“卡脖子”的地方還有它處,且風(fēng)險(xiǎn)很高。去年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)發(fā)布一項(xiàng)指南,大意是未來(lái)隨著量子計(jì)算的發(fā)展,氦3的供應(yīng)量會(huì)嚴(yán)重不足,因此鼓勵(lì)美國(guó)相關(guān)科研人員開(kāi)發(fā)能夠替代氦3,或者替代稀釋制冷的極低溫技術(shù),以應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。注意到美國(guó)是全球唯二的氦3生產(chǎn)大國(guó),尚且這樣布局,我國(guó)目前尚沒(méi)有氦3生產(chǎn)能力,豈不是更應(yīng)關(guān)注這一風(fēng)險(xiǎn)?正好朋友約我談?wù)劇敖^對(duì)零度”,于是就有了這篇稿子的構(gòu)思和成篇。
撰文 | 無(wú)邪
引子每天出門(mén)之前,我都會(huì)習(xí)慣性地看一下天氣預(yù)報(bào),除了陰晴風(fēng)雨,我最關(guān)注的一個(gè)數(shù)值是溫度,這很大程度上決定了我該穿什么衣服出門(mén)。這個(gè)與我們息息相關(guān)的物理參數(shù),描述了物體的冷熱程度,我們都知道水在零度以下會(huì)結(jié)冰,在100℃會(huì)沸騰,夏天需要開(kāi)空調(diào)來(lái)降溫消暑,冬天則需要暖氣來(lái)保持室內(nèi)的溫暖。今天準(zhǔn)備聊的話題,正是溫度,特別是物理上的極限溫度——絕對(duì)零度。
絕對(duì)零度,是這個(gè)宇宙中能夠達(dá)到的最低溫度,因?yàn)樵谶@個(gè)溫度下,所有的物體將被徹底凍結(jié),組成物質(zhì)的原子、分子將完全靜止下來(lái)。當(dāng)然,這是從經(jīng)典的角度來(lái)說(shuō)的,考慮量子效應(yīng)的話,即便在絕對(duì)零度,仍存在量子漲落。不過(guò),在討論這個(gè)話題的時(shí)候,我們暫時(shí)可以拋開(kāi)量子效應(yīng)不談,這不太會(huì)影響我們的理解。
物理學(xué)中的溫度首先我們來(lái)看看溫度這個(gè)概念,從物理學(xué)角度來(lái)講,它就不再是冷熱程度那么簡(jiǎn)單了。我們?nèi)粘=佑|到的物質(zhì),如一杯咖啡、一本書(shū)、一把椅子,他們都是由非常非常多的原子或分子組成的,大概有多少呢?一瓶礦泉水中大約包含1.6x1025個(gè)水分子,假如我們能對(duì)其中的水分子數(shù)數(shù),每秒鐘數(shù)3個(gè),大概需要數(shù)十七億億年!而我們宇宙誕生至今也才不到140億年。在一杯靜置的水中,其實(shí)里面的分子是躁動(dòng)不安的,時(shí)時(shí)刻刻想擺脫周圍分子的束縛。處于表面的一些分子的確能成功地逃逸出來(lái),獲得自由,這個(gè)過(guò)程就是“蒸發(fā)”。當(dāng)溫度達(dá)到100℃的時(shí)候,水分子變得如此暴躁,以至于內(nèi)部的一些分子也開(kāi)始大量逃脫,形成氣泡又很快破裂,于是就形成了“沸騰”現(xiàn)象。
從這里,我們就能體會(huì)到,溫度,是表示原子或分子“不安”程度的物理量。這種不安分,可以用熱運(yùn)動(dòng)的能量,或者說(shuō)動(dòng)能來(lái)描述。每個(gè)原子或分子有三個(gè)空間運(yùn)動(dòng)自由度(x,y,z),每個(gè)自由度攜帶的平均動(dòng)能為1/2kBT,這里的kB是玻爾茲曼常數(shù),為了紀(jì)念開(kāi)辟統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的先驅(qū)玻爾茲曼(Ludwig Eduard Boltzmann,1844-1906)而命名。T就是溫度。溫度最早是在研究氣體分子運(yùn)動(dòng)時(shí)引入的,用來(lái)衡量氣體系綜的平均動(dòng)能;現(xiàn)在,這個(gè)概念也被推廣到各種接近自由運(yùn)動(dòng)(相互作用很?。┑牧W酉稻C,比如固體中的巡游電子、原子氣團(tuán),乃至宇宙中的各種高能活動(dòng)。
物質(zhì)中存在著很多相互作用,也就是力。我們已知的力包括強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用。在我們?nèi)粘I钸@個(gè)層面上,展現(xiàn)的最多的是電磁相互作用。所有這些力與物質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)以及其他形式的力相互競(jìng)爭(zhēng),一旦某一種力占據(jù)優(yōu)勢(shì)時(shí),物質(zhì)就會(huì)形成一種新的有序結(jié)構(gòu)(并相應(yīng)地失去一些對(duì)稱性,這就是所謂的對(duì)稱性破缺)。因此,隨著溫度的變化,物質(zhì)會(huì)逐級(jí)展現(xiàn)出不同的現(xiàn)象,這是物理學(xué)最奇妙的地方。
舉兩個(gè)例子,根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型,我們的宇宙始于一場(chǎng)大爆炸,大爆炸之初,由于溫度極高,所有的力都是統(tǒng)一的。隨后溫度從1032℃(普朗克溫度)迅速下降到1027℃,引力開(kāi)始分離出來(lái),然后是強(qiáng)力,最后是電磁力和弱力。在這個(gè)過(guò)程中,先是電子、光子、夸克等形成,然后夸克凝聚成質(zhì)子、中子等基本粒子,再之后進(jìn)一步冷卻,質(zhì)子、中子又凝聚成原子核,再之后原子核俘獲電子,形成原子。再進(jìn)一步冷卻,不同原子通過(guò)外層電子的相互作用,又形成了千奇百態(tài)的分子。這些物質(zhì)最終構(gòu)成了我們的宇宙萬(wàn)物,到今天,整個(gè)宇宙已經(jīng)冷卻到了只有2.7K(微波背景輻射溫度)(K是絕對(duì)溫標(biāo),以絕對(duì)零度作為0K,我們?nèi)粘I顪囟却蠹s是300K),也就是大約-270℃。但故事沒(méi)有結(jié)束,宇宙還將繼續(xù)冷卻,直至逼近“絕對(duì)零度”(誰(shuí)也不知道宇宙會(huì)不會(huì)有那一天,到那一天又會(huì)如何?)。
另一個(gè)例子是超導(dǎo)現(xiàn)象。常溫下,金屬中的電子以非常高的速度做隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng),有多快呢?大約是8萬(wàn)米/秒。(電子還有一個(gè)由量子力學(xué)效應(yīng)——泡利不相容原理決定的費(fèi)米速度,比熱運(yùn)動(dòng)速度要高兩個(gè)數(shù)量級(jí),在這里可以先不考慮。)另一方面,電子在晶格中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的晶格畸變會(huì)形成一個(gè)約束能,大約在毫電子伏(meV)量級(jí)。隨著溫度降低,熱運(yùn)動(dòng)速度也逐漸降低,當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能低于上述約束能時(shí),電子就會(huì)受這個(gè)約束能影響而“配對(duì)”,變成“玻色子”。而玻色子由于不受泡利不相容原理影響,又可以進(jìn)一步凝聚到基態(tài),于是,就發(fā)生了所謂“超導(dǎo)”相變。相變之后,電流就由這個(gè)超導(dǎo)凝聚相來(lái)承載了,于是就有了零電阻效應(yīng)和完全抗磁效應(yīng),它們?yōu)楹芏鄳?yīng)用提供了特別好用的物理工具。比如說(shuō)磁體,我們現(xiàn)在終于可以繞制出超強(qiáng)磁場(chǎng)(超過(guò)20特斯拉)的磁體,醫(yī)院里的核磁共振成像設(shè)備,用的就全都是超導(dǎo)磁體;再比如,超導(dǎo)量子干涉儀,可以探測(cè)極其微弱的磁場(chǎng);還有超導(dǎo)量子比特,這是目前最有前景的量子計(jì)算技術(shù)方案之一。
氣體液化之路:低溫小史
這就是物理學(xué)家們總要想方設(shè)法操控溫度的原因。在粒子物理方面,科學(xué)家們想盡辦法將溫度升到極高,從而發(fā)現(xiàn)那些室溫下被禁閉的物理過(guò)程。在凝聚態(tài)物理方面,科學(xué)家們則設(shè)法不斷降低溫度,直至逼近絕對(duì)零度,讓各種低能的集體物理效應(yīng)表現(xiàn)出來(lái)。上面講到的超導(dǎo)現(xiàn)象,就是荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯(Heike Kamerlingh Onnes,1853-1926)在成功將氦氣液化,溫度降至4.2K之后,在水銀中測(cè)到了電阻的突然跳變,從而打開(kāi)了超導(dǎo)物理的大門(mén)。
我們還是先沿著降低溫度這條路徑來(lái)講,無(wú)他,我比較熟。在獲取低溫的道路上,有一位我們非常熟悉的先驅(qū),那就是法拉第(Michael Faraday,1791-1867)——沒(méi)錯(cuò),就是那位發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的法拉第。他在研究氯氣的化學(xué)性質(zhì)時(shí),一不小心就得到了液態(tài)氯,他總結(jié)出來(lái)是低溫和高壓所導(dǎo)致的。從此一發(fā)不可收拾,一路液化了當(dāng)時(shí)幾乎所有已知的氣體,只有氧氣、氮?dú)?、氫氣等氣體搞不定,于是他認(rèn)定這些氣體是“永久氣體”(permanent gases)。后來(lái)的事實(shí)當(dāng)然證明他錯(cuò)了,不過(guò)搞氣體液化畢竟是他的“副業(yè)”,他不小心液化氯氣,是因?yàn)樗?dāng)時(shí)是化學(xué)家戴維(Humphry Davy,1778-1829)的助手,主業(yè)其實(shí)是搞化學(xué)。
接下來(lái)法國(guó)人卡耶泰(Louis Paul Cailletet,1832-1913)液化了氧氣和氮?dú)?,他用到了一個(gè)重要的效應(yīng)——焦耳-湯姆森效應(yīng)(Joule–Thomson effect)?,F(xiàn)在的稀釋制冷機(jī)中,有一個(gè)重要的部件就叫“焦湯換熱器”,是將氦氣液化的重要環(huán)節(jié)。氮?dú)庖夯瘜⒌蜏貥O限推到了-196℃(77K)。但更重要的人物是杜瓦(James Dewar,1842-1923)?,F(xiàn)在的低溫儲(chǔ)罐,我們一般就叫作“杜瓦”,就是他發(fā)明了這種可以長(zhǎng)久保存低溫液體的真空絕熱瓶。家里用的開(kāi)水壺,其實(shí)就是一個(gè)“杜瓦”。杜瓦的重要貢獻(xiàn)是液化了氫氣,采用的方法是逐級(jí)液化降溫:先將容易液化的氣體液化(當(dāng)時(shí)他用的是CH3Cl),然后做節(jié)流膨脹進(jìn)一步降低溫度,再將另一種更難液化的氣體(比如C2H4)通入其中使其液化,再節(jié)流膨脹降溫,依次而行,最終得到了-260℃的低溫。
或許因?yàn)楫?dāng)年氦氣資源缺乏,我國(guó)早期的很多低溫實(shí)驗(yàn)就是用液氫來(lái)做的。當(dāng)我研究生入學(xué)的時(shí)候,陳兆甲老師給我們做新生教育,講了一個(gè)早年低溫實(shí)驗(yàn)的事故,令我印象極為深刻:有一次,一個(gè)用完了的液氫儲(chǔ)罐瓶口結(jié)了冰,當(dāng)時(shí)兩位蘇聯(lián)專家就想化開(kāi)這些冰,而所用的辦法竟是用酒精燈烤!結(jié)果就是一聲巨響,把樓炸開(kāi)了口。好在當(dāng)時(shí)政治學(xué)習(xí)會(huì)議較多,我們自己的專家們都去另一個(gè)樓開(kāi)會(huì)去了……
言歸正傳,杜瓦的心愿是繼續(xù)攻克最后一種“永久氣體”——氦氣的液化,可惜這種氣體實(shí)在太稀缺了,他一直湊不夠,最終未能遂愿。而接過(guò)這一棒的,是昂內(nèi)斯,他當(dāng)時(shí)是荷蘭萊頓大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。在他帶領(lǐng)下,他們迅速將杜瓦的逐級(jí)制冷技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大,在鈔能力加持下,建立了大型的液化工廠;昂內(nèi)斯利用漢普森-林德循環(huán)(Linde-Hampson cycle)、低溫杜瓦和焦耳-湯姆遜效應(yīng),成功將氦氣液化了,溫度極限進(jìn)一步推進(jìn)到了-269℃度,后來(lái)利用減壓降溫技術(shù),又進(jìn)一步推進(jìn)到了1.5K,也就是約-272℃。他也因此獲得了“絕對(duì)零度先生”的稱號(hào)。昂內(nèi)斯在液氦加持下又首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象,那就是另一個(gè)大故事了。
氦液化技術(shù)成熟之后,液氦就成為了目前應(yīng)用最為普遍的低溫制冷液體,除了溫度低的原因外,更重要的氦氣是惰性氣體,無(wú)毒無(wú)害,不會(huì)爆炸,比液氫安全得多。
沖擊絕對(duì)零度
不過(guò),1.5K距離絕對(duì)零度還有一段距離,沖擊絕對(duì)零度的路還遠(yuǎn)未結(jié)束。氦氣有一種同位素氦3(3He),它包含兩個(gè)質(zhì)子、一個(gè)中子。氦3在自然界的相對(duì)豐度僅百萬(wàn)分之一(1.38x10-6),它其實(shí)是核聚變非常理想的燃料,但自然界的含量實(shí)在太低了,做燃料不太現(xiàn)實(shí)。據(jù)說(shuō)月球和水星上有較多的氦3,但開(kāi)采也許得是幾十上百年以后的事情了。在極低溫的這“最后一公里”上,氦3的作用就非常大了,簡(jiǎn)直就是上天饋贈(zèng)。
首先氦3的液化溫度更低,通過(guò)對(duì)氦3的減壓降溫,可以將溫度進(jìn)一步推至0.3K。并且,氦3溶解在氦4(也就是普通的液氦)中,當(dāng)溫度降低到大約0.8K以下時(shí),會(huì)發(fā)生兩相分離,形成一個(gè)濃相和一個(gè)稀相,而當(dāng)氦3原子穿過(guò)兩相分離的界面時(shí),會(huì)帶走一部分熱量,這個(gè)過(guò)程理論上可以一直持續(xù)到絕對(duì)零度。這就成為了目前固體極低溫獲取的最重要技術(shù)——稀釋制冷技術(shù)的基礎(chǔ)。稀釋一詞的含義也正在此。稀釋制冷可以將溫度降至幾個(gè)mK,且已經(jīng)商業(yè)化。
隨著量子計(jì)算的發(fā)展,稀釋制冷機(jī)的需求量大大增加,已經(jīng)有很多國(guó)內(nèi)的科學(xué)家意識(shí)到發(fā)展自主可控的稀釋制冷機(jī)的必要性。幾年前我在中科院物理所的時(shí)候曾說(shuō)服幾位搞低溫的老朋友一起做,盡管我后來(lái)離開(kāi)了物理所,但他們?nèi)圆回?fù)眾望,在2021年成功將溫度降至10mK以下,并以重大成果的形式在當(dāng)年的中關(guān)村論壇上發(fā)布。我由衷為他們高興。
現(xiàn)在國(guó)內(nèi)立項(xiàng)要做稀釋制冷機(jī)的單位和公司已經(jīng)不少,有些單位將其稱為“卡脖子技術(shù)”,我認(rèn)為有點(diǎn)言過(guò)其實(shí)了。正所謂稀釋制冷機(jī)可得,氦3不可得,實(shí)際上真正卡脖子的地方不在“稀釋制冷”而在氦3,畢竟稀釋制冷技術(shù)誕生至今已經(jīng)超過(guò)半個(gè)世紀(jì)了。德國(guó)魏茨曼科學(xué)研究所的Urlig發(fā)表過(guò)大量文獻(xiàn),將無(wú)液氦稀釋制冷機(jī)技術(shù)講得很清楚了,有極低溫基礎(chǔ),用心用力去做,肯定能做出來(lái)(我這里絕不是說(shuō)稀釋制冷機(jī)容易做,事實(shí)上這仍是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn))。但氦3是一種幾乎無(wú)法自然提取的資源,全世界僅有美國(guó)和俄羅斯有商業(yè)化生產(chǎn)氦3的能力,大部分都是配額供應(yīng)。如今,美國(guó)連同歐洲對(duì)我國(guó)氦3供應(yīng)全面禁止,我們的氦3來(lái)源變成了俄羅斯獨(dú)家,假如量子計(jì)算真的興起,且不提根本供應(yīng)不起,這獨(dú)家供應(yīng)本身就是一個(gè)極大的風(fēng)險(xiǎn)。
我們有沒(méi)有辦法來(lái)應(yīng)對(duì)呢?理論上是有的。一方面,可以探尋極低溫獲取的替代方案,比如核絕熱去磁或順磁鹽去磁,事實(shí)上我國(guó)科學(xué)家中科院物理所的呂力、景秀年,另外還有北大的林熙教授等,利用核絕熱去磁技術(shù)(當(dāng)然是在稀釋制冷的基礎(chǔ)上),已經(jīng)將極低溫推至1mK以下了。不過(guò)核絕熱去磁技術(shù)目前來(lái)看很難應(yīng)用于量子計(jì)算,因?yàn)樗枰磸?fù)加磁場(chǎng),而量子比特很怕磁場(chǎng)。這里只是舉這個(gè)例子,我相信未來(lái)會(huì)產(chǎn)生更好的極低溫技術(shù)。
另一方面則是實(shí)現(xiàn)氦3的量產(chǎn)。既然美國(guó)和俄羅斯可以生產(chǎn),中國(guó)沒(méi)理由不能生產(chǎn),對(duì)吧?氦3該怎么生產(chǎn)呢?前面提到的從自然界提取不可行,從太空其他行星開(kāi)采又遙不可及,實(shí)際上它可以從核反應(yīng)堆里面產(chǎn)生出來(lái)。在重水堆中,重水(D2O)的主要作用是作為中子的減速劑和傳熱系統(tǒng),而熱中子和重水中的氘(2H)可以發(fā)生反應(yīng)生成一定量的氚(3H),氚具有放射性,它會(huì)通過(guò)β衰變釋放一個(gè)電子而變成氦3???,氦3出來(lái)了。別急,接下來(lái)還要收集這些氦3。重水堆內(nèi)有一個(gè)氣體覆蓋系統(tǒng),它在系統(tǒng)中循環(huán),并通過(guò)與氧的催化復(fù)合重新生成重水來(lái)控制重氫氣(D2)和氘氚(DT)的含量。氦3在重水中的溶解度極低,因此產(chǎn)生之后會(huì)迅速逃逸到覆蓋氣體中去,只要設(shè)法將其從覆蓋氣體中分離出來(lái),就能得到高純度的氦3了。根據(jù)減速劑的活化程度,一臺(tái)典型的700MWe重水堆,一年可以生產(chǎn)0.1-0.7m3的氦3氣體。
我不是做核反應(yīng)的,也就能硬著頭皮說(shuō)到這了。實(shí)際上的技術(shù)實(shí)現(xiàn),肯定比我說(shuō)的要難很多,比如如何提高氣體提餾效率(覆蓋氣體有很高的損耗率)、如何將氦3氣中的放射性氚(畢竟二者質(zhì)量幾乎一樣)和其他雜氣分離出去等等。零點(diǎn)幾立方米的氦3氣,看似微不足道,但一臺(tái)稀釋制冷機(jī)的氦3氣用量的典型值,也就二三十升,如果能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn),還是能解燃眉之急的。
到此,我們的絕對(duì)零度之旅就告一段落了。我們是不是還可以將溫度降到更低?答案肯定為是。不過(guò)永遠(yuǎn)也到不了絕對(duì)零度,這是熱力學(xué)第三定律的核心內(nèi)容,本質(zhì)上,是因?yàn)檫@個(gè)宇宙中不存在真正完全孤立的系統(tǒng)。科學(xué)家通過(guò)對(duì)很少量的原子系綜做激光減速和蒸發(fā),可以將其溫度降低至微K量級(jí),這就是超冷原子。冷原子是另一個(gè)很有意思的量子計(jì)算/量子模擬候選體系,超出了我的知識(shí)范圍,就不做探討了。
科學(xué)家的低溫之旅還會(huì)繼續(xù)。
出品:科普中國(guó)創(chuàng)作培育計(jì)劃