量子計(jì)算的關(guān)鍵——稀釋制冷機(jī)的壟斷、禁運(yùn)與國(guó)產(chǎn)化

如果你要在量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈上找到一個(gè)最關(guān)鍵、但最不被關(guān)注的節(jié)點(diǎn)，答案不是量子芯片，不是量子算法，而是一臺(tái)需要把工作環(huán)境維持在比宇宙深空還冷100倍的設(shè)備。 它叫稀釋制冷機(jī)。沒(méi)有它，所有的超導(dǎo)量子芯片都是一塊普通金屬。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)里，最貴的部件不是量子芯片。

是冰箱。

準(zhǔn)確說(shuō)，是一種叫做"稀釋制冷機(jī)"的設(shè)備。它的工作是把量子芯片冷卻到接近絕對(duì)零度——比宇宙深空還要冷100倍的溫度。沒(méi)有它，量子芯片根本無(wú)法工作。

2022年，美國(guó)聯(lián)合盟友把這臺(tái)"冰箱"列入了對(duì)華禁運(yùn)清單。

這是一個(gè)值得細(xì)究的決定。量子芯片很重要，但芯片禁運(yùn)的邏輯大家都懂。把制冷機(jī)也列進(jìn)去，說(shuō)明一件事：美國(guó)清楚地知道，量子計(jì)算的命脈不只在芯片，也在那套讓芯片活下去的極低溫基礎(chǔ)設(shè)施。

對(duì)于稀釋制冷機(jī)，我們需要了解——它是什么、為什么重要、誰(shuí)在全球掌控這個(gè)市場(chǎng)、禁運(yùn)之后發(fā)生了什么、以及中國(guó)現(xiàn)在在哪里。

一、為什么量子計(jì)算機(jī)需要"極限冰箱"

要理解稀釋制冷機(jī)的戰(zhàn)略地位，先要理解超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)對(duì)溫度的要求有多苛刻。

量子比特是量子計(jì)算機(jī)處理信息的基本單元。它能同時(shí)處于"0"和"1"兩種狀態(tài)（疊加態(tài)），這是量子計(jì)算的核心優(yōu)勢(shì)。但量子疊加態(tài)極其脆弱——任何熱擾動(dòng)，哪怕是極其微弱的熱噪聲，都會(huì)讓量子態(tài)崩塌，信息隨之丟失。

超導(dǎo)量子比特對(duì)溫度的要求是：不超過(guò)30mK（毫開爾文）。

30mK是什么概念？絕對(duì)零度是-273.15℃，30mK相當(dāng)于在絕對(duì)零度之上僅0.03℃。宇宙微波背景輻射的溫度約為2.7K，比這個(gè)溫度高了將近100倍。換句話說(shuō)，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的工作環(huán)境，比外太空還要冷得多。

目前已知能持續(xù)穩(wěn)定維持這個(gè)溫區(qū)的設(shè)備，只有一種：稀釋制冷機(jī)。

稀釋制冷機(jī)的制冷原理依賴兩種氦的同位素——氦-3和氦-4。將兩者以特定比例混合，在低溫下氦-3會(huì)自發(fā)地從富氦-3的"濃縮相"向貧氦-3的"稀釋相"擴(kuò)散。這個(gè)擴(kuò)散過(guò)程會(huì)吸收熱量，產(chǎn)生制冷效果，從而將系統(tǒng)溫度推向毫開爾文量級(jí)。

這個(gè)原理最早由英國(guó)物理學(xué)家Heinz London在1951年提出，1964年在荷蘭萊頓大學(xué)首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，1966年Oxford Instruments推出第一臺(tái)商用產(chǎn)品。從提出原理到商業(yè)化，花了將近15年。

這不是一臺(tái)"工程復(fù)雜的冰箱"，而是半個(gè)世紀(jì)物理研究和工程積累的結(jié)晶。技術(shù)壁壘就建立在這個(gè)時(shí)間維度里。

二、誰(shuí)控制著全球市場(chǎng)：歐洲的壟斷是怎么建立的

全球稀釋制冷機(jī)市場(chǎng)，是一個(gè)典型的歐洲主導(dǎo)格局。

2024年全球稀釋制冷機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為3.54億美元。從地區(qū)分布看，歐洲市場(chǎng)約1.47億美元，占比41.4%；北美約1.15億美元，占比32.4%；中國(guó)約0.58億美元，占比16.3%。產(chǎn)品端，歐洲企業(yè)合計(jì)占據(jù)了超過(guò)85%的市場(chǎng)份額。

這個(gè)格局是怎么形成的？歷史、技術(shù)積累、以及一個(gè)關(guān)鍵的市場(chǎng)判斷。

• Bluefors（芬蘭）——全球第一，后發(fā)先至

Bluefors成立于2008年，是這個(gè)行業(yè)里資歷并不算深的玩家。但它做對(duì)了一件事：在量子計(jì)算還沒(méi)有大規(guī)模爆發(fā)的時(shí)候，就提前把稀釋制冷機(jī)的產(chǎn)品形態(tài)針對(duì)量子計(jì)算場(chǎng)景做了深度優(yōu)化——更好的布線接口、更適合實(shí)驗(yàn)室操作的設(shè)計(jì)、更穩(wěn)定的長(zhǎng)期運(yùn)行能力。

當(dāng)谷歌、IBM、微軟等科技巨頭陸續(xù)押注量子計(jì)算，需要采購(gòu)稀釋制冷機(jī)時(shí)，Bluefors幾乎成了默認(rèn)選項(xiàng)。這個(gè)先發(fā)判斷讓它快速吃掉了市場(chǎng)。截至2024年底，Bluefors占據(jù)全球超70%的市場(chǎng)份額，是名副其實(shí)的行業(yè)龍頭。

2026年3月，Bluefors發(fā)布了模塊化低溫平臺(tái)（Modular Cryogenic Platform，MCP），方形設(shè)計(jì)、可拼接擴(kuò)展、四面全開、低矮緊湊——面向大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的下一代架構(gòu)需求。這個(gè)方向?qū)斫庹麄€(gè)行業(yè)趨勢(shì)很重要，后面會(huì)詳細(xì)說(shuō)。

• Oxford Instruments（英國(guó)）——最老牌的玩家

Oxford Instruments是整個(gè)稀釋制冷機(jī)行業(yè)的奠基者，1966年推出了全球第一臺(tái)商用產(chǎn)品。它是牛津大學(xué)的科技孵化產(chǎn)物，背靠深厚的物理學(xué)研究傳統(tǒng)。

如今，Oxford Instruments是市場(chǎng)第二大玩家，在科研機(jī)構(gòu)市場(chǎng)有極深的客戶積累，尤其在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等基礎(chǔ)科研場(chǎng)景中幾乎是標(biāo)配供應(yīng)商。

• Leiden Cryogenics（荷蘭）——精密制冷的源頭

1964年，稀釋制冷機(jī)的第一次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)就發(fā)生在荷蘭萊頓大學(xué)。Leiden Cryogenics正是從這個(gè)傳統(tǒng)孵化出來(lái)的公司，專注精密制冷，在對(duì)振動(dòng)要求極為苛刻的科研場(chǎng)景中有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

• CryoConcept（法國(guó)）

背靠法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）的技術(shù)積累，主要服務(wù)法國(guó)及歐洲科研體系，有明顯的國(guó)家研究院背景。

• FormFactor / Maybell Quantum（美國(guó)）

美國(guó)本土的量子制冷玩家，近年隨著量子計(jì)算在美國(guó)的快速擴(kuò)張而加速布局，是美國(guó)科技公司在本土供應(yīng)鏈自主可控邏輯下的推動(dòng)結(jié)果。

• Ulvac Cryogenics（日本）

在亞太市場(chǎng)有一定的客戶基礎(chǔ)，背靠日本Ulvac集團(tuán)的真空與低溫技術(shù)積累，主要服務(wù)于科研機(jī)構(gòu)。

整體來(lái)看，這是一個(gè)技術(shù)壁壘極高、市場(chǎng)集中度極高、且長(zhǎng)期被歐洲主導(dǎo)的小眾高端裝備市場(chǎng)。

進(jìn)入壁壘來(lái)自三個(gè)層面：核心制冷原理的物理工程經(jīng)驗(yàn)、關(guān)鍵部件（脈沖管制冷機(jī)冷頭、低溫傳感器、稀有的氦-3氣體）的供應(yīng)能力，以及多年服務(wù)高端科研客戶積累的系統(tǒng)調(diào)試與售后能力。

這不是一個(gè)靠砸錢和人才就能快速追趕的賽道。

技術(shù)積累需要時(shí)間。

三、禁運(yùn)：一條數(shù)字?jǐn)⑹龅墓适?/p>

2022年，美國(guó)將稀釋制冷機(jī)及相關(guān)零配件列入對(duì)華出口管制清單。

接下來(lái)發(fā)生的事，用三個(gè)數(shù)字說(shuō)清楚：

1. 2021年，中國(guó)進(jìn)口稀釋制冷機(jī)60臺(tái)。

2. 2023年，中國(guó)市場(chǎng)有據(jù)可查的進(jìn)口成交僅4臺(tái)。

3. 2024年，中國(guó)徹底無(wú)法進(jìn)口稀釋制冷機(jī)。

三年，從60到0。這條供應(yīng)鏈被切斷得非常徹底。

這對(duì)中國(guó)量子計(jì)算研究意味著什么？超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)無(wú)法在沒(méi)有稀釋制冷機(jī)的情況下運(yùn)行。每一個(gè)想推進(jìn)實(shí)驗(yàn)、每一個(gè)想做量子糾錯(cuò)、每一個(gè)想擴(kuò)展量子比特規(guī)模的團(tuán)隊(duì)，都卡在了同一道門檻上。

禁運(yùn)的邏輯很清楚：只要卡住制冷機(jī)，量子芯片造得再好也運(yùn)行不了。這比直接封鎖芯片研發(fā)更有效——因?yàn)樗虻氖橇孔佑?jì)算的物理運(yùn)行環(huán)境，而不是具體的某顆芯片。

面對(duì)這個(gè)局面，選擇只有一個(gè)：自己造。

四、國(guó)產(chǎn)化的三年：從0到并跑

禁運(yùn)倒逼出了中國(guó)稀釋制冷機(jī)產(chǎn)業(yè)最密集的一段發(fā)展期。

• 科研國(guó)家隊(duì)的技術(shù)奠基

故事從中科院物理所開始。

2021年，中科院物理所姬忠慶團(tuán)隊(duì)成功研制出國(guó)內(nèi)首套最低溫度達(dá)10mK以下的干式稀釋制冷機(jī)，完全自主研發(fā)，打破了此前該類設(shè)備被國(guó)外壟斷的局面。這是中國(guó)稀釋制冷機(jī)國(guó)產(chǎn)化的起點(diǎn)。

隨后，長(zhǎng)三角先進(jìn)材料研究院將國(guó)產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行溫度推進(jìn)至6mK，刷新國(guó)內(nèi)最低溫紀(jì)錄。

這兩項(xiàng)科研突破，奠定了國(guó)產(chǎn)稀釋制冷機(jī)的技術(shù)底座。

• 企業(yè)梯隊(duì)的商業(yè)化追趕

從科研成果到可交付產(chǎn)品，是一段艱難的工程化旅程。但2023—2024年間，多家企業(yè)密集完成了這個(gè)跨越。

量羲技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額最大的企業(yè)，占有率約30.77%。團(tuán)隊(duì)在稀釋制冷機(jī)領(lǐng)域有超過(guò)十年的技術(shù)積累，是國(guó)內(nèi)最早完成商業(yè)化交付的玩家之一。

合肥知冷（知冷低溫）由安徽大學(xué)孵化，位于合肥這個(gè)量子產(chǎn)業(yè)聚集地，背靠高校科研資源，產(chǎn)品化節(jié)奏較快。

中船鵬力超低溫有中船重工體系的工程化能力加持，擅長(zhǎng)大型裝備制造，具備一定的規(guī)模化優(yōu)勢(shì)。

中科量?jī)x由中科院物理所姬忠慶研究員依托科研成果轉(zhuǎn)化組建，是把那批10mK技術(shù)突破推向產(chǎn)業(yè)化的核心團(tuán)隊(duì)。2025年3月，中科量?jī)x在中關(guān)村論壇年會(huì)發(fā)布了"凌開一號(hào)"——國(guó)內(nèi)首臺(tái)模塊化稀釋制冷機(jī)，最低溫度8.6mK，制冷功率超過(guò)1mW@100mK。

關(guān)于"凌開一號(hào)"有一個(gè)值得注意的時(shí)間節(jié)點(diǎn)：它的發(fā)布時(shí)間是2025年3月；而全球龍頭Bluefors，直到2026年3月才發(fā)布自己的模塊化低溫平臺(tái)。兩者不約而同地選擇了相同的技術(shù)路線——方形、模塊化、面向大規(guī)模量子計(jì)算。在模塊化這個(gè)具體技術(shù)方向上，中科量?jī)x的產(chǎn)品時(shí)間上早了將近一年。

這是一個(gè)值得如實(shí)記錄的事實(shí)，但不宜過(guò)度解讀。中國(guó)在量子制冷領(lǐng)域有了全新的突破，但整體上還處于弱勢(shì)，需要繼續(xù)趕超。Bluefors的產(chǎn)品定義更完整，工程參數(shù)更詳細(xì)（明確的模塊規(guī)格、承重標(biāo)準(zhǔn)、端口數(shù)量），商業(yè)化節(jié)奏更快——這說(shuō)明從"早發(fā)布"到"贏市場(chǎng)"，還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離。

其他值得關(guān)注的新興玩家還包括：本源量子（整機(jī)廠商自研制冷能力）、國(guó)盾量子（同上）、中電科十六所（國(guó)家隊(duì)背景）、集焓科儀、格物致寒（近兩年涌現(xiàn)的創(chuàng)業(yè)公司）。

整體來(lái)看，2024年是中國(guó)稀釋制冷機(jī)國(guó)產(chǎn)化的元年——多家企業(yè)在這一年完成了首批商業(yè)交付，國(guó)產(chǎn)化率突破80%，基本實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的國(guó)產(chǎn)替代，形成了百臺(tái)級(jí)的年產(chǎn)能。

五、架構(gòu)革命：稀釋制冷機(jī)正在從儀器變成基礎(chǔ)設(shè)施

理解國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展的同時(shí)，有必要看清楚行業(yè)正在發(fā)生的一個(gè)更深層的變化。

傳統(tǒng)的稀釋制冷機(jī)是圓柱形的一體化結(jié)構(gòu)——所有的制冷模塊、布線接口、真空腔體集成在一個(gè)不可拆分的整體里。這個(gè)設(shè)計(jì)在量子比特?cái)?shù)量較少（幾十到幾百個(gè)）時(shí)沒(méi)有問(wèn)題，但當(dāng)量子計(jì)算朝著數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)量子比特演進(jìn)，問(wèn)題出現(xiàn)了：

一體化結(jié)構(gòu)無(wú)法漸進(jìn)式擴(kuò)展，想增加制冷量或?qū)嶒?yàn)空間，往往需要更換整套系統(tǒng)；冷卻單元和測(cè)量布線深度耦合，牽一發(fā)而動(dòng)全身；隨著量子計(jì)算進(jìn)入數(shù)據(jù)中心部署，設(shè)備需要更低的高度、更緊湊的占地、與傳統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)兼容的標(biāo)準(zhǔn)化形態(tài)。

這就是為什么Bluefors和中科量?jī)x不約而同地選擇了模塊化方向。

模塊化稀釋制冷機(jī)的核心邏輯是"搭積木"：每個(gè)模塊可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過(guò)拼接組成更大的系統(tǒng)；布線模塊和制冷模塊相互分離，可以分別升級(jí)；方形設(shè)計(jì)允許從多方向接入維護(hù)，多模塊拼接后內(nèi)部形成連續(xù)的大空間。

這個(gè)方向變化意味著稀釋制冷機(jī)正在從"科研儀器"演變?yōu)?量子計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施"。它的客戶，從高校和科研院所，延伸到數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商和量子計(jì)算云服務(wù)提供商。市場(chǎng)的量級(jí)會(huì)隨之改變。

目前稀釋制冷機(jī)在量子計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用占比約53%，預(yù)測(cè)到2035年這一占比將超過(guò)90%。這個(gè)數(shù)字背后，是下游量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)規(guī)模從2025年的約61億美元向2030年約2155億美元的躍升對(duì)上游制冷設(shè)備產(chǎn)生的拉動(dòng)。

六、仍然存在的短板

客觀地說(shuō)，國(guó)產(chǎn)化的成果不應(yīng)被過(guò)度渲染。整體來(lái)看，中國(guó)在量子科技領(lǐng)域（包括制冷機(jī)在內(nèi)）與美歐的差距在三五年間。制冷機(jī)方向上，整機(jī)的國(guó)產(chǎn)替代基本完成，但產(chǎn)業(yè)鏈仍有三個(gè)核心的卡脖子環(huán)節(jié)尚未完全解決：

氦-3氣體。稀釋制冷機(jī)的制冷原理依賴這種極為稀缺的同位素，全球供應(yīng)高度集中，主要來(lái)源于核反應(yīng)堆的副產(chǎn)品。中國(guó)的氦-3提純技術(shù)已有進(jìn)展，但在供應(yīng)量和純度穩(wěn)定性上仍存在風(fēng)險(xiǎn)。

高端脈沖管制冷機(jī)冷頭。這是稀釋制冷機(jī)的一級(jí)預(yù)冷核心部件，決定了系統(tǒng)能否可靠地在4K溫區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行。國(guó)產(chǎn)替代品在精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上，與美國(guó)Cryomech、日本住友等頂級(jí)產(chǎn)品仍有差距。

高精度溫度傳感器。美國(guó)Lakeshore的低溫溫度傳感器是全球科研標(biāo)準(zhǔn)，精度和可靠性暫無(wú)國(guó)產(chǎn)替代品能完全對(duì)標(biāo)。在極端低溫環(huán)境下，溫度測(cè)量的精度直接影響整機(jī)性能。

除技術(shù)短板外，還有一個(gè)體系層面的差距：國(guó)內(nèi)企業(yè)目前基本各自為戰(zhàn)，缺乏像Bluefors與IBM之間那種深度協(xié)同的"產(chǎn)學(xué)研用"閉環(huán)。Bluefors能快速迭代產(chǎn)品，很大程度上依賴與頂級(jí)量子計(jì)算用戶的長(zhǎng)期緊密合作——用戶的需求直接驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品演進(jìn)。這種生態(tài)層面的協(xié)同能力，是中國(guó)稀釋制冷機(jī)產(chǎn)業(yè)目前相對(duì)薄弱的一環(huán)。

在市場(chǎng)份額上，2024年中國(guó)企業(yè)合計(jì)僅占全球約13.74%，與中國(guó)在量子計(jì)算研發(fā)上的規(guī)模和投入不相稱。這個(gè)缺口，也是國(guó)產(chǎn)企業(yè)未來(lái)的成長(zhǎng)空間。

七、結(jié)語(yǔ)

稀釋制冷機(jī)是量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈里一個(gè)典型的"沉默關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)"——存在感不強(qiáng)，但一旦斷供，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈就運(yùn)轉(zhuǎn)不了。

從2021年中科院物理所的第一臺(tái)10mK國(guó)產(chǎn)樣機(jī)，到2024年國(guó)產(chǎn)化元年的多家商業(yè)交付，中國(guó)用不到四年時(shí)間完成了整機(jī)層面的國(guó)產(chǎn)替代，這個(gè)速度是實(shí)實(shí)在在的。

但"造得出"和"做到最好"之間，仍有相當(dāng)距離。上游核心部件的卡脖子問(wèn)題沒(méi)有完全解決，工程化生態(tài)的協(xié)同能力有待建立，全球市場(chǎng)份額與科研投入規(guī)模之間的落差依然明顯。

這個(gè)賽道的故事，還沒(méi)到可以收尾的時(shí)候。