無液氦消耗的制冷機能達到的最低溫度是多少？走進北京大學綜合實驗樓，穿過長長的走廊，來到位于地下二層的“崔琦實驗室”，兩臺“拓撲量子計算超低溫實驗儀器”刷新了這個問題的世界紀錄——0.1毫開爾文，逼近人類無法抵達的“絕對零度”。
在國家自然科學基金委員會的國家重大科研儀器研制項目“拓撲量子計算超低溫實驗儀器”支持下，北京大學量子材料科學中心教授杜瑞瑞、林熙親手打造了這兩臺儀器，創造了不消耗液氦進行制冷的“干式制冷儀器”所能達到的最低溫度紀錄。
近期，該項目順利結題。“極低溫下，我們不但可以驗證已知理論，而且在探索無人區時甚至可能發現一些不可預期的新量子現象。”回首研發歷程，該項目負責人杜瑞瑞說，“每一步都充滿了不確定性，但我們始終堅持探索的信念。”
杜瑞瑞（右）、林熙在“拓撲量子計算超低溫實驗儀器”前合影。研究團隊供圖
在這場科技競賽中不能落后
世界上最低溫度能達到多少度？在物理學中，0開爾文，也就是-273.15℃，被稱為“絕對零度”，是目前物理世界可能達到的最低溫度極限。在理論上，分子運動趨于完全靜止但仍存在零點能量子漲落。物質會展現出截然不同的特性，一些已知物理規律將面臨挑戰。
自19世紀末科學家們連續實現各種氣體液化以來，人類便踏上了不斷逼近絕對零度的漫漫長路。進入20世紀，隨著氦氣被成功液化，科學家首次觸及4開爾文（約-269℃）以下的“極寒世界”，一系列常溫下無法觀測到的奇妙現象相繼顯現：水銀的超導、液氦的無摩擦流動、分數量子霍爾效應、玻色-愛因斯坦凝聚態……這些前所未見的現象不斷拓展人類對物理世界的認知邊界，孕育出諸多新興研究方向。
“低溫環境是前沿探索的重要基礎條件。”林熙告訴《中國科學報》。面向全球物理學家追逐的“低溫”高地，中國科學家正在挺進這一未知領域。
除了前沿科學在理論認識上的巨大驅動，21世紀以來的科技變革中，實現低溫環境成為了下一代量子計算的迫切需求。
如今，量子計算迅速崛起的同時，現實挑戰隨之而至。隨著量子比特數量增加，錯誤率會迅速累積，使大規模量子計算難以實現。
杜瑞瑞介紹，拓撲量子計算作為一種全新范式應運而生。其利用拓撲保護的量子態作為信息載體，具有抗干擾能力，有望從根本上解決量子計算中的誤差擴散問題。
然而，要驗證和操控這些拓撲量子態，必須具備極端苛刻的實驗條件，溫度需穩定保持在10毫開爾文以下。
目前，拓撲量子計算在全球范圍內競爭激烈。“我們不能在這場關乎國家未來的科技競賽中落后。”自主創新研制超低溫設備，率先掌握拓撲量子計算的核心技術，搶占全球量子科技制高點，是杜瑞瑞的研究初心。
站在科學挑戰與時代浪潮的交匯處，杜瑞瑞從國外回到北京大學，就一頭扎進研制超低溫實驗儀器的漫長征程，全力向“全世界最冷”邁進。
面對質疑 挑戰“不可能”
要實現極低溫環境，科學家們早已發展了多種制冷技術。從早期的液氦蒸發制冷，到通過稀釋制冷系統將氦-3與氦-4同位素混合物相互作用，制冷溫度已達到10毫開爾文左右。然而，這些傳統制冷手段往往受到液氦等消耗型資源的限制，運行成本高、維護復雜，且難以實現穩定長期測量。
既然如此，那就不依賴液氦。杜瑞瑞與林熙決定另辟蹊徑，采用一種被稱為“核絕熱去磁制冷”的核心機制，構建一臺“干式”超低溫系統。這相當于把用液氦當“燃料”的“油車”換成“新能源電車”。
這一技術的核心思路是先通過外加強磁場，使載體材料中的原子核自旋趨于一致排列，形成高度有序的狀態，隨后撤去磁場，重歸無序。在這一“打亂”的過程中，熱量被吸收，載體溫度得以大幅度下降。這個過程依賴于載體的量子性質，因此可以把制冷機稱為“量子冰箱”。
聽起來容易，但將這一想法轉化為工程實踐，卻面臨著巨大困難。項目起步階段，許多專家對他們的方案表示懷疑。
“專家們認為，最大的挑戰在于如何消除制冷機和磁體工作時振動的影響。”接受《中國科學報》采訪時，杜瑞瑞表示。
理論上而言，物質中微觀層面的分子、原子的運動狀態決定了其宏觀層面的溫度。通常而言，這些粒子越“靜止”，反映出的溫度越低。而外界的振動則會因為通過不同方式引入熱量，從而提高其溫度，讓冷卻失敗。
干式系統運行依賴壓縮機、循環泵等機械部件，產生的振動遠大于傳統濕式系統。在這一固有矛盾的背景下，通過干式制冷達到毫開爾文以下的超低溫一度被認為不太可能。
當然，團隊還面臨更多現實困難。林熙坦言：“我們做的是原創儀器，不僅國際上沒有先例可供參考，甚至連器件和部件都買不到現成的，只能利用諸如銅塊的基礎材料，自主設計、自主加工、自主調試和驗證。”這些都要求團隊成員不僅深刻掌握物理原理，還需具備精密機械設計、材料科學、電子工程等多學科知識。
對此，杜瑞瑞在項目答辯時表示：“我堅信，只要設計合理，工程上循序漸進，這些困難都是可以克服的。”
經過反復測試與調試，2020年，由林熙設計搭建的第一臺設備，穩定實現0.1毫開爾文的極低溫，比1毫開爾文的原定指標高出一個數量級。
他記得，在設備運轉的聲音中，指標逐漸優于預期值，最終定格在0.09毫開爾文——這是當前全世界近百萬臺干式制冷機的最低溫度。“可以干點別的事情了！”他心里默默開始“走神”。
此后，在第二臺設備的設計上，杜瑞瑞對其進行了升級，在原有基礎上引入高磁場雙磁體結構。這成為目前國內最大的一套磁體。為確保磁場之間互不干擾，他們使用了幾十個補償線圈進行精密調節，每一個構件都需反復驗證，直至達到“鏈條中最弱一環也不掉鏈子”的要求。
最終，這套使用“最大磁體”的“冰箱”能夠穩定連續運轉達數月之久，這是傳統設備無法實現的紀錄。
2024年，當兩臺超低溫裝置相繼完成測試、達到預定指標時，許多國際同行表示祝賀。世界知名低溫物理專家、美國普渡大學物理系主任Gabor Csathy專門發來賀信，稱贊這是“低溫物理領域的重要里程碑”。
“目標是更深層的物理規律”
如果說溫標盡頭的0.1毫開爾文是屹立在低溫物理學界的雪山，那么他們則憑借精益求精的探索精神登上了這座高山。
“低溫設備最重要的一個特點是怕漏熱，這要求所有細節都必須同等程度‘正確’，不能出一絲一毫差錯。”林熙解釋道。
與此同時，與按照圖紙制造儀器大不相同，從零開始打造先進科研儀器是探索的過程，需要不斷試錯、不斷修正。
“做這種創造性的研究，不可能一開始就把圖紙畫好，大家分工合作就行了。”杜瑞瑞表示，“我們每完成一步，就根據實際情況調整下一步的方案，這樣逐漸推進，效果才更可靠。”
多年來，他們帶領工程師和學生在實驗室內度過了一個又一個深夜，暑熱冬寒，星月無聲。
事實上，杜瑞瑞的科研成就更集中于分數量子效應。在拓撲量子計算基礎科研的分數量子效應方向深耕多年，他深知，高效、穩定運行的極低溫裝置對破解這一方向上的科學難題至關重要。
“低溫只是工具，目標是更深層的物理規律。”杜瑞瑞說。對于這位物理學家而言，突破物理學認知、搶占科技制高點，是一場代代接力的馬拉松，這項探索不是一代人能完成的，但只要一步一個腳印，就一定會走得足夠遠。
《中國科學報》：面向未來，你計劃在這臺儀器的幫助下，開展哪些科研工作？目前取得了什么樣的進展？
杜瑞瑞：目前，我們正聚焦一個關鍵問題，即在“非常規超導”材料中，是否真的存在“非常規”的量子態。例如釕氧化物、部分鐵基材料，有可能具備拓撲超導的特性。如果能驗證某個體系中確實存在拓撲超導，我們就能找到更可靠的路徑，實現拓撲量子計算。
目前，這項研究已經取得初步進展。接下來，我們將依托這臺超低溫設備，在極低溫環境下，通過熱熔、磁化率、熱輸運等手段對其進一步驗證。
《中國科學報》：在自主研制這一重大科研儀器的過程中，你認為成功的關鍵是什么，有什么心得與青年學者分享？
杜瑞瑞：首先，我們一直堅持的一點是，創新型儀器的研究方案不是工程化的，而是一環扣一環的。每完成一步，就要根據實驗情況調整下一步的方案，逐漸推進才能更可靠。這個理念對先進科學儀器的研制特別重要。
其次就是關注系統中最脆弱的環節。只有把所有薄弱點都找出來、優化掉，整個系統才能真正穩定運行。
科學探索不是一蹴而就的，需要堅持不懈的努力和對細節的極致追求。
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