19 世纪初，法国物理学家雅克・查理与盖 - 吕萨克通过实验发现，理想气体在恒压下体积与温度呈线性关系。将该关系外推至体积为零的极限，可得到温度下限为 - 273.15℃。1848 年，英国物理学家开尔文勋爵据此提出绝对温标，这就是 “绝对零度” 的由来。

宇宙并非绝对寒冷，但分子动能不会完全归零 —— 量子力学的不确定原理始终存在，只是我们可以通过极致降温压制热运动，观测到原本被掩盖的量子现象。现在人类不再满足于发现量子现象，而是要掌控量子世界，超导量子计算这类前沿技术，就必须在接近绝对零度的环境中运行。

【量子计算的核心：靠氦三续命的制冷技术】

超冷环境的获取，依赖稀释制冷技术。这项技术源于 1951 年德国物理学家海因茨・伦敦的设想：将氦四与氦三混合，通过两种同位素的相变吸热实现降温。但当时这个想法被嘲笑为天方夜谭 —— 氦三在自然界中的丰度仅为百万分之一，全球天然储量微乎其微。

冷战高峰期，美苏两国为研发氢弹囤积了大量氦三（氚衰变的产物），核武库存维护时回收的氦三解决了来源问题。上世纪 60 年代，荷兰莱顿大学成功研制出稀释制冷机，将温度降至 0.22K，如今最低可到 2mK，仅比绝对零度高 0.002℃。

早年稀释制冷机仅用于顶尖科研，比如薛其坤院士团队观测量子反常霍尔效应就用到了它。但近十年，量子计算产业爆发，全球稀释制冷机保有量超过 2000 台，年新增超 500 台，复合增长率近 10%。未来量子计算实现商用优势后，需求还会暴涨。

【氦三的死局：供需彻底反转】

冷战结束后，全球核武库存缩减，氦三的供应趋于稳定，但量子计算的需求爆发，供需矛盾日益凸显。当前全球稀释制冷机年需求量约 500 台，总装机量 2000-3000 台，未来 3-5 年将增至 800-1500 台 / 年，总装机量达 5000-8000 台。按此估算，全球氦三年产量仅 2 万升，未来 3 年需求将翻倍，而全球现有储备仅约 10 万升。

作为氦三完全依赖进口的国家，中国的供需压力比美国更大。美国早在 2021 年就发布指导文件，要求研发新型极低温技术，应对氦三短缺。

【破局的两条路：找新原料还是换技术？】

解决氦三紧缺有两条核心路径：一是拓展新的氦三来源，二是研发替代制冷技术。

新来源方面，月球土壤中蕴藏大量氦三，不过商业化开采距离遥远。近期火热的核聚变产业，比如托卡马克聚变、氘氦三聚变，会产生或消耗氦三，但短期来看，核聚变的需求反而会加剧氦三紧张 —— 毕竟氚的供应才是核聚变的核心痛点。

替代技术方面，绝热退磁制冷是最具前景的方向。这项技术诞生于上世纪 30 年代，利用顺磁材料在磁场变化时的吸热制冷。此前因降温不连续、需要强磁场等问题难以普及，不过随着新型顺磁材料和热开关技术的进步，德国企业已实现优化，降低了磁场要求并实现连续制冷，替代技术 5 年内有望实现商业化落地。

还有一些新兴技术，比如热电子隧穿制冷、LED 热泵，可直接集成到量子芯片实现片上制冷，但目前仍处于早期研发阶段。我在读博时曾尝试过基于金属 - 真空超导结的隧穿降温实验，因大面积纳米真空间隙制造难度太大最终放弃，现在看来仍是一次大胆的脑洞尝试。

中国作为量子技术发展最快的国家之一，目前氦三完全依赖进口，且国内替代技术研发投入几乎为零，这一现状必须尽快改变。未来 5 年是解决供需危机的关键窗口，依托我国的体制优势、制造业基础和工程师红利，这一问题完全可以得到解决。