近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员通过改进研究和工业中常用的制冷机，大大减少了将材料冷却到绝对零度以上几度所需的时间和能量。科学家们说，他们的原型装置每年可以节省大约2700万瓦的电力，全球电力消耗3000万美元，足够填满5000个奥林匹克游泳池的冷却水。他们正在与一家工业合作伙伴合作，将其商业化。
从稳定量子比特（量子计算机中的基本信息单位）到保持材料的超导特性，再到让美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜保持足够凉爽以观测天空，超冷制冷对许多设备和传感器的运行至关重要。几十年来，脉管制冷机（PTR）一直是实现与外太空真空一样冷的温度的主要设备。
这些制冷机循环压缩（加热）和膨胀（冷却）高压氦气，以实现“大冷”，大致类似于家用制冷机利用氟利昂从液体转化为蒸汽来去除热量的方式。40多年来，PTR已经证明了它的可靠性，但它也很耗电，比任何其他超低温实验的组件消耗更多的电力。
当NIST的研究员Ryan Snodgrass和他的同事仔细观察制冷机时，他们发现制造商制造的设备只有在最终工作温度为4开尔文（K）时才节能，即绝对零度以上4度。研究小组发现，这些制冷机在高温下效率极低——这是一个大问题，因为冷却过程是从室温开始的。
在一系列的实验中，斯诺德格拉斯和NIST的科学家乔尔·乌勒姆、文森特·科特苏博和斯科特·巴克豪斯发现，在室温下，氦气处于如此高的压力下，以至于其中一些氦气通过一个安全阀分流，而不是用于冷却。通过改变压缩机和制冷机之间的机械连接，该团队确保了氦不会被浪费，大大提高了制冷机的效率。
特别是，研究人员不断调整一系列阀门，控制从压缩机流向制冷机的氦气量。科学家们发现，如果他们在室温下让阀门开得更大，然后在冷却过程中逐渐关闭阀门，他们可以将冷却时间缩短到现在的一半到四分之一。目前，科学家们必须等待一天或更长时间才能让新的量子电路冷却到足以进行测试。由于科学研究的进展可能受到达到低温所需时间的限制，因此这项技术提供的更快的冷却时间可能会广泛影响许多领域，包括量子计算和其他量子研究领域。斯诺德格拉斯说，NIST团队开发的技术还可以让科学家们用小得多的脉冲管制冷机取代大型脉冲管制冷机，这需要更少的支持基础设施。
随着对量子计算的研究及其对低温技术的依赖不断增长，对这些制冷机的需求将大大扩大。改进后的PTR将节省大量的资金、电能和冷却水。除了支持蓬勃发展的量子经济外，该设备还将加快研究速度，因为科学家不再需要等待数天或数周才能让量子比特和其他量子组件冷却。
包括科罗拉多大学博尔德分校的科学家在内的研究人员在4月23日发表在《Nature Communications》期刊中的一篇文章中描述了他们的方法（DOI：10.1038/s41467-024-47561-5）。
