2020年，中科大“九章”光量子計算原型機問世，其搭載的百通道超導納米線單光子探測器（SNSPD）需要配備8臺GM制冷機，占據(jù)了半個房間的空間，讓不少研究人員望而卻步。量子領域是否也有“摩爾定律”？核心設備體積能否持續(xù)縮小？如今五年過去，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”光量子計算原型機的SNSPD探測器

一、認識G-M制冷機

提及“極低溫制冷”，多數(shù)人會想到物理實驗室里需兩人環(huán)抱一直冒煙的液氦杜瓦罐。而G-M制冷機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)出突出的性價比。

1、什么是G-M制冷機？

G-M制冷機全稱為“吉福德-麥克馬洪制冷機”，由美國工程師吉福德（W. E. Gifford）和麥克馬洪（H. O. McMahon）于1960年發(fā)明，基于“回熱式循環(huán)”工作。它無需依賴液氦，僅通過機械循環(huán)就能將溫度降至2K。早期G-M制冷機應用于低溫物理研究、超導磁體等領域，隨著量子技術的發(fā)展，憑借“小型化、低成本、長壽命”的特點，成為SNSPD器件的“標配低溫源”。

2、G-M制冷機的“呼吸式制冷”魔法

G-M制冷機基于“西蒙膨脹”循環(huán)系統(tǒng)，如同“會呼吸的低溫泵”，通過四個關鍵步驟實現(xiàn)制冷。

2.1、核心結構：壓縮機+冷頭，各司其職

圖2 GM 制冷機結構示意圖

G-M制冷機主要由壓縮機和冷頭兩部分組成：

- 壓縮機：位于常溫端，是“動力源”，將氦氣壓縮至2-3 MPa高壓，同時通過水冷或風冷散熱，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”，內部包含驅動機構、進排氣閥、氣缸、活塞（排出器）、回熱器等部件。

冷頭還設有“兩級冷臺”：

? 一級冷臺：溫度約40K（-233℃），主要負責“預冷”，攔截室溫的輻射熱和線纜漏熱，是低溫環(huán)境的“第一道防線”。

? 二級冷臺：裸機無負載時溫度可達 2.0-2.3K，上面搭載一個金屬圓盤用于安裝器件，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)，實現(xiàn)“絕熱降溫”

G-M制冷機的制冷過程是“氦氣的壓縮-膨脹循環(huán)”，分為四個關鍵階段，恰似一次完整的“呼吸”：

圖3 GM 制冷機冷卻循環(huán)的四個階段

l 升壓階段（“吸氣”）：壓縮機將常溫3 MPa高壓氦氣通過高壓管線送入冷頭，此時進氣閥打開、排氣閥關閉，氦氣進入熱腔和回熱器，壓力從0.1 MPa升至3 MPa，氣體壓縮后溫度升高，類似給氣球打氣時氣球變熱的現(xiàn)象。

l 等壓進氣階段（“預冷”）：驅動機構推動活塞向上運動，熱腔中的高壓氦氣被迫流經(jīng)回熱器。回熱器內的低溫蓄冷材料（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（接近回熱器溫度），隨后進入冷腔。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”）：活塞到達氣缸頂部時，進氣閥關閉、排氣閥打開，冷腔與低壓管線連通，高壓氦氣“卸壓”后在絕熱狀態(tài)下膨脹，根據(jù)熱力學定律，氣體膨脹內能減少，溫度急劇下降，這是產生“極低溫”的關鍵步驟，類似打開可樂瓶時瓶口結霜的原理。

l 等壓排氣階段（“排氣”）：活塞向下運動，冷腔中的低壓氦氣被推出，流經(jīng)回熱器時將熱量傳遞給蓄冷材料（為下一次循環(huán)預冷），自身溫度升至室溫，最終通過排氣閥排出，完成一次循環(huán)。

這四個階段以1-2 Hz的循環(huán)頻率不斷重復，冷頭溫度逐漸降低并穩(wěn)定在2 K。實際循環(huán)中因回熱器阻力、閥門延遲等因素影響，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制冷機的“硬指標”

要了解G-M制冷機“能塞多少SNSPD”，需先看懂其關鍵參數(shù)，這些數(shù)據(jù)直接決定制冷機“承載能力”，是工程師設計多通道系統(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：裸機無負載時，二級冷臺最低溫度通常為2.0-2.3K，受個體差異和冷頭朝向影響。

l 制冷量：指冷臺在特定溫度下能帶走的最大熱量，主流型號額定制冷量為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小于100mW。

l 降溫時間：從室溫300K降到2.3K，裸機通常需1.5-2小時，帶負載時約8小時，降溫速度越快，系統(tǒng)啟動效率越高。

 2. 結構參數(shù)：決定“能裝多少組件”

- 二級冷臺尺寸：作為SNSPD的“棲息地”，通常設計為直徑15厘米左右的圓盤，面積約180 cm2。

- 冷頭高度：一級冷臺到二級冷臺的距離約15-20厘米，決定射頻線、光纖的走線長度（通常為15-50厘米）。

3. 運行參數(shù)：決定“長期可靠性”

- 連續(xù)運行時間：商用G-M制冷機設計壽命約15000小時，期間無需維護，適合SNSPD“7×24小時”不間斷工作。

- 振動水平：冷頭運行時振動幅度約10-50μm，遠低于SNSPD的敏感閾值（>100μm），不影響光子耦合精度。

- 功耗：壓縮機功耗約1.2 kW，冷頭無額外功耗，整體功耗與家用空調相當，適合實驗室部署。

三、GM制冷機的“擴容革命”

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

1、早期瓶頸：漏熱與空間的“雙重限制”

早期G-M制冷機僅能容納16個SNSPD，核心瓶頸有兩個：

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

l 封裝體積大：體積約1.5 cm3/個，15厘米直徑的冷臺最多裝30個，且需預留線纜空間，實際僅能裝16個左右。

2、突破1：射頻線“瘦身”

核心突破是用“低溫柔性帶狀線”替代傳統(tǒng)鈹銅電纜：

l 結構優(yōu)化：內外導體用直徑僅幾十微米的鈹銅（比同軸電纜小一個數(shù)量級），介質層用低熱導率的聚酰亞胺。

l 漏熱實測：15厘米長的帶狀線漏熱僅0.137 mW（4.2K~40K），是鈹銅電纜的1/5。

l 空間優(yōu)化：15厘米長的帶狀線可直連一級（40K）和二級（2K）冷臺，無需盤繞，節(jié)省大量空間。

這一突破使16根射頻線總漏熱從10.56 mW降至2.2 mW，對應100根射頻線的總漏熱為14 mW左右。

圖4 (a)低溫同軸線系統(tǒng) (b)低溫柔帶線系統(tǒng)

3、突破2：SNSPD“迷你封裝”

最后，通過優(yōu)化SNSPD封裝方式，將體積減半：

- 結構優(yōu)化：用直徑2.5毫米的陶瓷插芯實現(xiàn)自對準封裝方式，封裝體積從1.5 cm3降至0.7cm3，減少50%。

- 密度提升：15厘米直徑的冷臺可裝載100個器件，通道密度達0.5個/cm2。

圖5 SNSPD封裝對比

4、最新進展：百通道SNSPD探測系統(tǒng)

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

圖6 百通道SNSPD探測系統(tǒng)原型機

四、未來展望：GM制冷機還能“塞”多少SNSPD？

目前單臺GM制冷機里面已可以實現(xiàn)百通道SNSPD的集成，但G-M制冷機和SNSPD的潛力不止于此。未來，G-M制冷機或許能容納200個甚至300個SNSPD，這需要在以下三個方向實現(xiàn)突破：

1、SNSPD“陣列化”

未來SNSPD可能從“單個封裝”變?yōu)椤捌详嚵小?，將多個SNSPD集成在一塊芯片上（如2×2、4×4陣列），同時采用光纖陣列等辦法實現(xiàn)多個器件共享一套射頻線和光纖；

2、冷臺“3D化”

當前二級冷臺為平面圓盤，未來可能升級為“3D環(huán)形冷臺”，在二級冷臺周圍加環(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

通過調節(jié)材料比例、生長條件等參數(shù)或者基于更高溫區(qū)的超導材料研發(fā)SNSPD器件，有望實現(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、結語

從16個到100個，再到未來有望實現(xiàn)的200個，GM制冷機容納SNSPD數(shù)量的每一次突破，都標志著量子探測集成化的進步。GM制冷機的價值遠不止“裝得多”，它更是量子技術從“實驗室走向實用化”的關鍵橋梁。它將百通道系統(tǒng)成本從千萬級降至百萬級，讓量子計算、量子通信的“規(guī)?；背蔀榭赡埽葹榱孔蛹夹g撐起了一片“極寒天地”，也為人類探索微觀世界開辟了更廣闊的空間。

參考文獻

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