里程碑就在“不可能”中
无液氦消耗的制冷机能达到的最低温度是多少？走进北京大学综合实验楼，穿过长长的走廊，来到位于地下二层的“崔琦实验室”，两台“拓扑量子计算超低温实验仪器”刷新了这个问题的世界纪录——0.1毫开尔文，逼近人类无法抵达的“绝对零度”。
在国家自然科学基金委员会的国家重大科研仪器研制项目“拓扑量子计算超低温实验仪器”支持下，北京大学量子材料科学中心教授杜瑞瑞、林熙亲手打造了这两台仪器，创造了不消耗液氦进行制冷的“干式制冷仪器”所能达到的最低温度纪录。
近期，该项目顺利结题。“极低温下，我们不但可以验证已知理论，而且在探索无人区时甚至可能发现一些不可预期的新量子现象。”回首研发历程，该项目负责人杜瑞瑞说，“每一步都充满了不确定性，但我们始终坚持探索的信念。”
杜瑞瑞（右）、林熙在“拓扑量子计算超低温实验仪器”前合影。研究团队供图
在这场科技竞赛中不能落后
世界上最低温度能达到多少度？在物理学中，0开尔文，也就是-273.15℃，被称为“绝对零度”，是目前物理世界可能达到的最低温度极限。在理论上，分子运动趋于完全静止但仍存在零点能量子涨落。物质会展现出截然不同的特性，一些已知物理规律将面临挑战。
自19世纪末科学家们连续实现各种气体液化以来，人类便踏上了不断逼近绝对零度的漫漫长路。进入20世纪，随着氦气被成功液化，科学家首次触及4开尔文（约-269℃）以下的“极寒世界”，一系列常温下无法观测到的奇妙现象相继显现：水银的超导、液氦的无摩擦流动、分数量子霍尔效应、玻色-爱因斯坦凝聚态……这些前所未见的现象不断拓展人类对物理世界的认知边界，孕育出诸多新兴研究方向。
“低温环境是前沿探索的重要基础条件。”林熙告诉《中国科学报》。面向全球物理学家追逐的“低温”高地，中国科学家正在挺进这一未知领域。
除了前沿科学在理论认识上的巨大驱动，21世纪以来的科技变革中，实现低温环境成为了下一代量子计算的迫切需求。
如今，量子计算迅速崛起的同时，现实挑战随之而至。随着量子比特数量增加，错误率会迅速累积，使大规模量子计算难以实现。
杜瑞瑞介绍，拓扑量子计算作为一种全新范式应运而生。其利用拓扑保护的量子态作为信息载体，具有抗干扰能力，有望从根本上解决量子计算中的误差扩散问题。
然而，要验证和操控这些拓扑量子态，必须具备极端苛刻的实验条件，温度需稳定保持在10毫开尔文以下。
目前，拓扑量子计算在全球范围内竞争激烈。“我们不能在这场关乎国家未来的科技竞赛中落后。”自主创新研制超低温设备，率先掌握拓扑量子计算的核心技术，抢占全球量子科技制高点，是杜瑞瑞的研究初心。
站在科学挑战与时代浪潮的交汇处，杜瑞瑞从国外回到北京大学，就一头扎进研制超低温实验仪器的漫长征程，全力向“全世界最冷”迈进。
面对质疑 挑战“不可能”
要实现极低温环境，科学家们早已发展了多种制冷技术。从早期的液氦蒸发制冷，到通过稀释制冷系统将氦-3与氦-4同位素混合物相互作用，制冷温度已达到10毫开尔文左右。然而，这些传统制冷手段往往受到液氦等消耗型资源的限制，运行成本高、维护复杂，且难以实现稳定长期测量。
既然如此，那就不依赖液氦。杜瑞瑞与林熙决定另辟蹊径，采用一种被称为“核绝热去磁制冷”的核心机制，构建一台“干式”超低温系统。这相当于把用液氦当“燃料”的“油车”换成“新能源电车”。
这一技术的核心思路是先通过外加强磁场，使载体材料中的原子核自旋趋于一致排列，形成高度有序的状态，随后撤去磁场，重归无序。在这一“打乱”的过程中，热量被吸收，载体温度得以大幅度下降。这个过程依赖于载体的量子性质，因此可以把制冷机称为“量子冰箱”。
听起来容易，但将这一想法转化为工程实践，却面临着巨大困难。项目起步阶段，许多专家对他们的方案表示怀疑。
“专家们认为，最大的挑战在于如何消除制冷机和磁体工作时振动的影响。”接受《中国科学报》采访时，杜瑞瑞表示。
理论上而言，物质中微观层面的分子、原子的运动状态决定了其宏观层面的温度。通常而言，这些粒子越“静止”，反映出的温度越低。而外界的振动则会因为通过不同方式引入热量，从而提高其温度，让冷却失败。
干式系统运行依赖压缩机、循环泵等机械部件，产生的振动远大于传统湿式系统。在这一固有矛盾的背景下，通过干式制冷达到毫开尔文以下的超低温一度被认为不太可能。
当然，团队还面临更多现实困难。林熙坦言：“我们做的是原创仪器，不仅国际上没有先例可供参考，甚至连器件和部件都买不到现成的，只能利用诸如铜块的基础材料，自主设计、自主加工、自主调试和验证。”这些都要求团队成员不仅深刻掌握物理原理，还需具备精密机械设计、材料科学、电子工程等多学科知识。
对此，杜瑞瑞在项目答辩时表示：“我坚信，只要设计合理，工程上循序渐进，这些困难都是可以克服的。”
经过反复测试与调试，2020年，由林熙设计搭建的第一台设备，稳定实现0.1毫开尔文的极低温，比1毫开尔文的原定指标高出一个数量级。
他记得，在设备运转的声音中，指标逐渐优于预期值，最终定格在0.09毫开尔文——这是当前全世界近百万台干式制冷机的最低温度。“可以干点别的事情了！”他心里默默开始“走神”。
此后，在第二台设备的设计上，杜瑞瑞对其进行了升级，在原有基础上引入高磁场双磁体结构。这成为目前国内最大的一套磁体。为确保磁场之间互不干扰，他们使用了几十个补偿线圈进行精密调节，每一个构件都需反复验证，直至达到“链条中最弱一环也不掉链子”的要求。
最终，这套使用“最大磁体”的“冰箱”能够稳定连续运转达数月之久，这是传统设备无法实现的纪录。
2024年，当两台超低温装置相继完成测试、达到预定指标时，许多国际同行表示祝贺。世界知名低温物理专家、美国普渡大学物理系主任Gabor Csathy专门发来贺信，称赞这是“低温物理领域的重要里程碑”。
“目标是更深层的物理规律”
如果说温标尽头的0.1毫开尔文是屹立在低温物理学界的雪山，那么他们则凭借精益求精的探索精神登上了这座高山。
“低温设备最重要的一个特点是怕漏热，这要求所有细节都必须同等程度‘正确’，不能出一丝一毫差错。”林熙解释道。
与此同时，与按照图纸制造仪器大不相同，从零开始打造先进科研仪器是探索的过程，需要不断试错、不断修正。
“做这种创造性的研究，不可能一开始就把图纸画好，大家分工合作就行了。”杜瑞瑞表示，“我们每完成一步，就根据实际情况调整下一步的方案，这样逐渐推进，效果才更可靠。”
多年来，他们带领工程师和学生在实验室内度过了一个又一个深夜，暑热冬寒，星月无声。
事实上，杜瑞瑞的科研成就更集中于分数量子效应。在拓扑量子计算基础科研的分数量子效应方向深耕多年，他深知，高效、稳定运行的极低温装置对破解这一方向上的科学难题至关重要。
“低温只是工具，目标是更深层的物理规律。”杜瑞瑞说。对于这位物理学家而言，突破物理学认知、抢占科技制高点，是一场代代接力的马拉松，这项探索不是一代人能完成的，但只要一步一个脚印，就一定会走得足够远。
《中国科学报》：面向未来，你计划在这台仪器的帮助下，开展哪些科研工作？目前取得了什么样的进展？
杜瑞瑞：目前，我们正聚焦一个关键问题，即在“非常规超导”材料中，是否真的存在“非常规”的量子态。例如钌氧化物、部分铁基材料，有可能具备拓扑超导的特性。如果能验证某个体系中确实存在拓扑超导，我们就能找到更可靠的路径，实现拓扑量子计算。
目前，这项研究已经取得初步进展。接下来，我们将依托这台超低温设备，在极低温环境下，通过热熔、磁化率、热输运等手段对其进一步验证。
《中国科学报》：在自主研制这一重大科研仪器的过程中，你认为成功的关键是什么，有什么心得与青年学者分享？
杜瑞瑞：首先，我们一直坚持的一点是，创新型仪器的研究方案不是工程化的，而是一环扣一环的。每完成一步，就要根据实验情况调整下一步的方案，逐渐推进才能更可靠。这个理念对先进科学仪器的研制特别重要。
其次就是关注系统中最脆弱的环节。只有把所有薄弱点都找出来、优化掉，整个系统才能真正稳定运行。
科学探索不是一蹴而就的，需要坚持不懈的努力和对细节的极致追求。
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