2020年，中科大“九章”光量子计算原型机问世，其搭载的百通道超导纳米线单光子探测器（SNSPD）需要配备8台GM制冷机，占据了半个房间的空间，让不少研究人员望而却步。量子领域是否也有“摩尔定律”？核心设备体积能否持续缩小？如今五年过去，百通道SNSPD的体积有了怎样的变化？本文将为你揭晓答案。

图1 “九章”光量子计算原型机的SNSPD探测器

一、认识G-M制冷机

提及“极低温制冷”，多数人会想到物理实验室里需两人环抱一直冒烟的液氦杜瓦罐。而G-M制冷机作为商用化最成熟的“小型化极低温解决方案”，在2K（-271℃）温区展现出突出的性价比。

1、什么是G-M制冷机？

G-M制冷机全称为“吉福德-麦克马洪制冷机”，由美国工程师吉福德（W. E. Gifford）和麦克马洪（H. O. McMahon）于1960年发明，基于“回热式循环”工作。它无需依赖液氦，仅通过机械循环就能将温度降至2K。早期G-M制冷机应用于低温物理研究、超导磁体等领域，随着量子技术的发展，凭借“小型化、低成本、长寿命”的特点，成为SNSPD器件的“标配低温源”。

2、G-M制冷机的“呼吸式制冷”魔法

G-M制冷机基于“西蒙膨胀”循环系统，如同“会呼吸的低温泵”，通过四个关键步骤实现制冷。

2.1、核心结构：压缩机+冷头，各司其职

图2 GM 制冷机结构示意图

G-M制冷机主要由压缩机和冷头两部分组成：

- 压缩机：位于常温端，是“动力源”，将氦气压缩至2-3 MPa高压，同时通过水冷或风冷散热，为制冷循环“打气”。

- 冷头：位于低温端，既是制冷核心，也是 SNSPD 的 “栖息地”，内部包含驱动机构、进排气阀、气缸、活塞（排出器）、回热器等部件。

冷头还设有“两级冷台”：

Ø 一级冷台：温度约40K（-233℃），主要负责“预冷”，拦截室温的辐射热和线缆漏热，是低温环境的“第一道防线”。

Ø 二级冷台：裸机无负载时温度可达 2.0-2.3K，上面搭载一个金属圆盘用于安装器件，表面经镀金抛光处理，以减少辐射漏热。

2.2、工作原理：四步循环，实现“绝热降温”

G-M制冷机的制冷过程是“氦气的压缩-膨胀循环”，分为四个关键阶段，恰似一次完整的“呼吸”：

图3 GM 制冷机冷却循环的四个阶段

l 升压阶段（“吸气”）：压缩机将常温3 MPa高压氦气通过高压管线送入冷头，此时进气阀打开、排气阀关闭，氦气进入热腔和回热器，压力从0.1 MPa升至3 MPa，气体压缩后温度升高，类似给气球打气时气球变热的现象。

l 等压进气阶段（“预冷”）：驱动机构推动活塞向上运动，热腔中的高压氦气被迫流经回热器。回热器内的低温蓄冷材料（如Er3Ni、HoCu2等磁性材料）比热容大，快速吸收氦气热量，使氦气温度从室温降至约40 K（接近回热器温度），随后进入冷腔。此阶段压力保持不变，温度却大幅下降。。

l 绝热放气阶段（“降温”）：活塞到达气缸顶部时，进气阀关闭、排气阀打开，冷腔与低压管线连通，高压氦气“卸压”后在绝热状态下膨胀，根据热力学定律，气体膨胀内能减少，温度急剧下降，这是产生“极低温”的关键步骤，类似打开可乐瓶时瓶口结霜的原理。

l 等压排气阶段（“排气”）：活塞向下运动，冷腔中的低压氦气被推出，流经回热器时将热量传递给蓄冷材料（为下一次循环预冷），自身温度升至室温，最终通过排气阀排出，完成一次循环。

这四个阶段以1-2 Hz的循环频率不断重复，冷头温度逐渐降低并稳定在2 K。实际循环中因回热器阻力、阀门延迟等因素影响，存在少量能量损失，制冷量低于理想值。

二、核心参数：衡量G-M制冷机的“硬指标”

要了解G-M制冷机“能塞多少SNSPD”，需先看懂其关键参数，这些数据直接决定制冷机“承载能力”，是工程师设计多通道系统的核心依据。

 1. 制冷性能参数：决定“能扛多少漏热”

l 最低制冷温度：裸机无负载时，二级冷台最低温度通常为2.0-2.3K，受个体差异和冷头朝向影响。

l 制冷量：指冷台在特定温度下能带走的最大热量，主流型号额定制冷量为0.1W@4.2K。该数值决定总漏热上限，如0.1W制冷量意味着所有组件漏热总和需远小于100mW。

l 降温时间：从室温300K降到2.3K，裸机通常需1.5-2小时，带负载时约8小时，降温速度越快，系统启动效率越高。

 2. 结构参数：决定“能装多少组件”

- 二级冷台尺寸：作为SNSPD的“栖息地”，通常设计为直径15厘米左右的圆盘，面积约180 cm²。

- 冷头高度：一级冷台到二级冷台的距离约15-20厘米，决定射频线、光纤的走线长度（通常为15-50厘米）。

3. 运行参数：决定“长期可靠性”

- 连续运行时间：商用G-M制冷机设计寿命约15000小时，期间无需维护，适合SNSPD“7×24小时”不间断工作。

- 振动水平：冷头运行时振动幅度约10-50μm，远低于SNSPD的敏感阈值（>100μm），不影响光子耦合精度。

- 功耗：压缩机功耗约1.2 kW，冷头无额外功耗，整体功耗与家用空调相当，适合实验室部署。

三、GM制冷机的“扩容革命”

“一个G-M制冷机里能塞多少SNSPD”的答案不断被刷新，从早期16个，再到如今的100个，背后是G-M制冷机“漏热控制”和“空间优化”的技术突破。

1、早期瓶颈：漏热与空间的“双重限制”

早期G-M制冷机仅能容纳16个SNSPD，核心瓶颈有两个：

l 射频线漏热：早期使用半刚性铍铜同轴电缆，30厘米长漏热达0.66 mW/根，若采用16根，漏热达10.56 mW，接近制冷量的10%。

l 封装体积大：体积约1.5 cm³/个，15厘米直径的冷台最多装30个，且需预留线缆空间，实际仅能装16个左右。

2、突破1：射频线“瘦身”

核心突破是用“低温柔性带状线”替代传统铍铜电缆：

l 结构优化：内外导体用直径仅几十微米的铍铜（比同轴电缆小一个数量级），介质层用低热导率的聚酰亚胺。

l 漏热实测：15厘米长的带状线漏热仅0.137 mW（4.2K~40K），是铍铜电缆的1/5。

l 空间优化：15厘米长的带状线可直连一级（40K）和二级（2K）冷台，无需盘绕，节省大量空间。

这一突破使16根射频线总漏热从10.56 mW降至2.2 mW，对应100根射频线的总漏热为14 mW左右。

图4 (a)低温同轴线系统 (b)低温柔带线系统

3、突破2：SNSPD“迷你封装”

最后，通过优化SNSPD封装方式，将体积减半：

- 结构优化：用直径2.5毫米的陶瓷插芯实现自对准封装方式，封装体积从1.5 cm³降至0.7cm³，减少50%。

- 密度提升：15厘米直径的冷台可装载100个器件，通道密度达0.5个/cm²。

图5 SNSPD封装对比

4、最新进展：百通道SNSPD探测系统

中科院上海微系统所SNSPD团队在冷腔中集成100通道SNSPD器件，最低温小于2.5 K，可同时支持大规模SNSPD器件并行工作和小型化SNSPD相机工作。

图6 百通道SNSPD探测系统原型机

四、未来展望：GM制冷机还能“塞”多少SNSPD？

目前单台GM制冷机里面已可以实现百通道SNSPD的集成，但G-M制冷机和SNSPD的潜力不止于此。未来，G-M制冷机或许能容纳200个甚至300个SNSPD，这需要在以下三个方向实现突破：

1、SNSPD“阵列化”

未来SNSPD可能从“单个封装”变为“片上阵列”，将多个SNSPD集成在一块芯片上（如2×2、4×4阵列），同时采用光纤阵列等办法实现多个器件共享一套射频线和光纤；

2、冷台“3D化”

当前二级冷台为平面圆盘，未来可能升级为“3D环形冷台”，在二级冷台周围加环形冷板，SNSPD垂直布置在环形板上，空间利用率提升N倍；

3、高温区SNSPD

通过调节材料比例、生长条件等参数或者基于更高温区的超导材料研发SNSPD器件，有望实现SNSPD在更高温度良好工作，比如4.2K、10K甚至20K，漏热需求可大幅降低；

五、结语

从16个到100个，再到未来有望实现的200个，GM制冷机容纳SNSPD数量的每一次突破，都标志着量子探测集成化的进步。GM制冷机的价值远不止“装得多”，它更是量子技术从“实验室走向实用化”的关键桥梁。它将百通道系统成本从千万级降至百万级，让量子计算、量子通信的“规模化”成为可能，既为量子技术撑起了一片“极寒天地”，也为人类探索微观世界开辟了更广阔的空间。

参考文献

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