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DETAIL · 01 · CRYO BOTTLENECK

超导与自旋两类主流量子比特要求 mK 级超低温环境维持相干。工业上能稳定产出 10 mK 的方案,只有稀释制冷机——而稀释制冷机离不开 He-3/He-4 混合工质。

稀释制冷的物理底层

He-3 与 He-4 在低于 ~0.87 K 时发生自然相分离:富 He-3 相浮在富 He-4 相之上,循环抽运 He-3 跨越相界面会带走焓——这是唯一在 mK 区间无需外部磁场或泵浦激光、可连续稳定运行的工业制冷方案。

Formula · 01
\dot{Q}_{\text{cool}} \approx 84 \, \dot{n}_3 \, T^2 \quad \Rightarrow \quad T_{\min} \sim \sqrt{\frac{Q_{\text{leak}}}{84\,\dot{n}_3}}

稀释制冷腔体冷却功率与 He-3 流量、温度平方成正比;最低可达温度由漏热与 He-3 摩尔流量决定。更多 He-3 流量 → 更低温度或更大冷却功率。这条规律使 He-3 成为不可替代的工质。

行业需求侧

  • 当前系统　几十到数百量子比特的稀释制冷机,每台年消耗约几升 He-3。
  • 大型系统　数千量子比特扩容时,单机初始充注可达数百至上千升。
  • 行业总量　保守估算 30–40 kg/年 He-3(500–700 L/y),多家头部厂商已锁定每年上万升订单。
  • 增速预期　未来数年从「百升级」跨入「万升级」,需求增长十倍以上。

供应侧:极度紧张的全球格局

Table · 014 rows
来源
年产量级
约束
  • 01
    核武器氚衰变副产
    数百千克
    每克氚每年仅产生 0.1 g He-3;受核裁军周期影响
  • 02
    专用反应堆生产
    公斤–十公斤级
    成本高,规模有限
  • 03
    天然气提取 (Pulsar Topaz)
    未商业化
    已探到 14.5 ppb 异常富集,前景早期
  • 04
    大气抽取
    几乎为零
    He-3/He-4 ≈ 1.4 × 10⁻⁶,无经济性

全球 He-3 供应高度垄断在美国与俄罗斯手中,且产能本质上是「核武库的副产物」——意味着 He-3 不会因为量子产业的需求暴涨而线性扩产。

稀释制冷机的工程量级

Table · 024 rows
系统
规模
性能
  • 01
    商用台式稀释制冷机
    150–300 kg
    100 mK · 数十 μW
  • 02
    大型量子原型机
    0.5–1.5 t
    10–25 mK · mW 级
  • 03
    IBM Goldeneye 概念系统
    ≈ 7 t
    25 mK 工作温度 · 实验体积 1.7 m³
  • 04
    ESA Athena 链路(航天)
    卫星载荷级
    推到 0.5 mK,对 EMI 与微振动极敏感

为什么不能简单替代

“稀释制冷在 100 mK 以下没有等价的工业替代。绝热去磁、激光制冷、固态磁制冷或者能维持极低温,但都不能像 He-3 稀释那样在大型系统里 24×7 连续运行。”

这意味着 He-3 不是量子产业的「锦上添花」,而是它能否走出实验室、能否被工业量产的物理瓶颈。量子算力的增长曲线,最终被 He-3 供应曲线所约束。

月面 He-3 的两条路径

  • 地球段先变现　无论月面是否成功,全球稀释制冷与气体物流市场已经足够支撑独立现金流。
  • 月面段是上限解除　百万吨级月壤储量解除了供应天花板;即使前期只是「副产品」嵌入更大 ISRU 工序,也是关键一跳。
References
  1. Pobell, F. (2007) Matter and Methods at Low Temperatures, Springer.
  2. Cho, A. (2020) Helium-3 shortage could put low-temperature research on ice. Science.
  3. IBM Goldeneye cryogenic concept system.
  4. ESA Athena X-IFU cryochain design notes.
  5. He-3 supply: arxiv survey on isotope separation methods (2025).
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