量子計算的關(guān)鍵——稀釋制冷機的壟斷、禁運與國產(chǎn)化

如果你要在量子計算產(chǎn)業(yè)鏈上找到一個最關(guān)鍵、但最不被關(guān)注的節(jié)點，答案不是量子芯片，不是量子算法，而是一臺需要把工作環(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。沒有它，所有的超導(dǎo)量子芯片都是一塊普通金屬。

超導(dǎo)量子計算機里，最貴的部件不是量子芯片。

是冰箱。

準確說，是一種叫做"稀釋制冷機"的設(shè)備。它的工作是把量子芯片冷卻到接近絕對零度——比宇宙深空還要冷100倍的溫度。沒有它，量子芯片根本無法工作。

2022年，美國聯(lián)合盟友把這臺"冰箱"列入了對華禁運清單。

這是一個值得細究的決定。量子芯片很重要，但芯片禁運的邏輯大家都懂。把制冷機也列進去，說明一件事：美國清楚地知道，量子計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。

對于稀釋制冷機，我們需要了解——它是什么、為什么重要、誰在全球掌控這個市場、禁運之后發(fā)生了什么、以及中國現(xiàn)在在哪里。

一、為什么量子計算機需要"極限冰箱"

要理解稀釋制冷機的戰(zhàn)略地位，先要理解超導(dǎo)量子計算機對溫度的要求有多苛刻。

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

超導(dǎo)量子比特對溫度的要求是：不超過30mK（毫開爾文）。

30mK是什么概念？絕對零度是-273.15℃，30mK相當于在絕對零度之上僅0.03℃。宇宙微波背景輻射的溫度約為2.7K，比這個溫度高了將近100倍。換句話說，超導(dǎo)量子計算機的工作環(huán)境，比外太空還要冷得多。

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

稀釋制冷機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會自發(fā)地從富氦-3的"濃縮相"向貧氦-3的"稀釋相"擴散。這個擴散過程會吸收熱量，產(chǎn)生制冷效果，從而將系統(tǒng)溫度推向毫開爾文量級。

這個原理最早由英國物理學(xué)家Heinz London在1951年提出，1964年在荷蘭萊頓大學(xué)首次實驗實現(xiàn)，1966年Oxford Instruments推出第一臺商用產(chǎn)品。從提出原理到商業(yè)化，花了將近15年。

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

二、誰控制著全球市場：歐洲的壟斷是怎么建立的

全球稀釋制冷機市場，是一個典型的歐洲主導(dǎo)格局。

2024年全球稀釋制冷機市場規(guī)模為3.54億美元。從地區(qū)分布看，歐洲市場約1.47億美元，占比41.4%；北美約1.15億美元，占比32.4%；中國約0.58億美元，占比16.3%。產(chǎn)品端，歐洲企業(yè)合計占據(jù)了超過85%的市場份額。

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

• Bluefors（芬蘭）——全球第一，后發(fā)先至

Bluefors成立于2008年，是這個行業(yè)里資歷并不算深的玩家。但它做對了一件事：在量子計算還沒有大規(guī)模爆發(fā)的時候，就提前把稀釋制冷機的產(chǎn)品形態(tài)針對量子計算場景做了深度優(yōu)化——更好的布線接口、更適合實驗室操作的設(shè)計、更穩(wěn)定的長期運行能力。

當谷歌、IBM、微軟等科技巨頭陸續(xù)押注量子計算，需要采購稀釋制冷機時，Bluefors幾乎成了默認選項。這個先發(fā)判斷讓它快速吃掉了市場。截至2024年底，Bluefors占據(jù)全球超70%的市場份額，是名副其實的行業(yè)龍頭。

2026年3月，Bluefors發(fā)布了模塊化低溫平臺（Modular Cryogenic Platform，MCP），方形設(shè)計、可拼接擴展、四面全開、低矮緊湊——面向大規(guī)模量子計算機的下一代架構(gòu)需求。這個方向?qū)斫庹麄€行業(yè)趨勢很重要，后面會詳細說。

• Oxford Instruments（英國）——最老牌的玩家

Oxford Instruments是整個稀釋制冷機行業(yè)的奠基者，1966年推出了全球第一臺商用產(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是市場第二大玩家，在科研機構(gòu)市場有極深的客戶積累，尤其在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等基礎(chǔ)科研場景中幾乎是標配供應(yīng)商。

• Leiden Cryogenics（荷蘭）——精密制冷的源頭

1964年，稀釋制冷機的第一次實驗實現(xiàn)就發(fā)生在荷蘭萊頓大學(xué)。Leiden Cryogenics正是從這個傳統(tǒng)孵化出來的公司，專注精密制冷，在對振動要求極為苛刻的科研場景中有獨特優(yōu)勢。

• CryoConcept（法國）

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

• FormFactor / Maybell Quantum（美國）

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

• Ulvac Cryogenics（日本）

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

整體來看，這是一個技術(shù)壁壘極高、市場集中度極高、且長期被歐洲主導(dǎo)的小眾高端裝備市場。

進入壁壘來自三個層面：核心制冷原理的物理工程經(jīng)驗、關(guān)鍵部件（脈沖管制冷機冷頭、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。

這不是一個靠砸錢和人才就能快速追趕的賽道。

技術(shù)積累需要時間。

三、禁運：一條數(shù)字敘述的故事

2022年，美國將稀釋制冷機及相關(guān)零配件列入對華出口管制清單。

接下來發(fā)生的事，用三個數(shù)字說清楚：

1. 2021年，中國進口稀釋制冷機60臺。

2. 2023年，中國市場有據(jù)可查的進口成交僅4臺。

3. 2024年，中國徹底無法進口稀釋制冷機。

三年，從60到0。這條供應(yīng)鏈被切斷得非常徹底。

這對中國量子計算研究意味著什么？超導(dǎo)量子計算機無法在沒有稀釋制冷機的情況下運行。每一個想推進實驗、每一個想做量子糾錯、每一個想擴展量子比特規(guī)模的團隊，都卡在了同一道門檻上。

禁運的邏輯很清楚：只要卡住制冷機，量子芯片造得再好也運行不了。這比直接封鎖芯片研發(fā)更有效——因為它打的是量子計算的物理運行環(huán)境，而不是具體的某顆芯片。

面對這個局面，選擇只有一個：自己造。

四、國產(chǎn)化的三年：從0到并跑

禁運倒逼出了中國稀釋制冷機產(chǎn)業(yè)最密集的一段發(fā)展期。

• 科研國家隊的技術(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隊成功研制出國內(nèi)首套最低溫度達10mK以下的干式稀釋制冷機，完全自主研發(fā)，打破了此前該類設(shè)備被國外壟斷的局面。這是中國稀釋制冷機國產(chǎn)化的起點。

隨后，長三角先進材料研究院將國產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定運行溫度推進至6mK，刷新國內(nèi)最低溫紀錄。

這兩項科研突破，奠定了國產(chǎn)稀釋制冷機的技術(shù)底座。

• 企業(yè)梯隊的商業(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)密集完成了這個跨越。

量羲技術(shù)是目前國內(nèi)市場份額最大的企業(yè)，占有率約30.77%。團隊在稀釋制冷機領(lǐng)域有超過十年的技術(shù)積累，是國內(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，擅長大型裝備制造，具備一定的規(guī)模化優(yōu)勢。

中科量儀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)化的核心團隊。2025年3月，中科量儀在中關(guān)村論壇年會發(fā)布了"凌開一號"——國內(nèi)首臺模塊化稀釋制冷機，最低溫度8.6mK，制冷功率超過1mW@100mK。

關(guān)于"凌開一號"有一個值得注意的時間節(jié)點：它的發(fā)布時間是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。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)模量子計算。在模塊化這個具體技術(shù)方向上，中科量儀的產(chǎn)品時間上早了將近一年。

這是一個值得如實記錄的事實，但不宜過度解讀。中國在量子制冷領(lǐng)域有了全新的突破，但整體上還處于弱勢，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（明確的模塊規(guī)格、承重標準、端口數(shù)量），商業(yè)化節(jié)奏更快——這說明從"早發(fā)布"到"贏市場"，還有相當長的距離。

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

整體來看，2024年是中國稀釋制冷機國產(chǎn)化的元年——多家企業(yè)在這一年完成了首批商業(yè)交付，國產(chǎn)化率突破80%，基本實現(xiàn)了整機的國產(chǎn)替代，形成了百臺級的年產(chǎn)能。

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

理解國產(chǎn)化進展的同時，有必要看清楚行業(yè)正在發(fā)生的一個更深層的變化。

傳統(tǒng)的稀釋制冷機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不可拆分的整體里。這個設(shè)計在量子比特數(shù)量較少（幾十到幾百個）時沒有問題，但當量子計算朝著數(shù)千乃至數(shù)萬量子比特演進，問題出現(xiàn)了：

一體化結(jié)構(gòu)無法漸進式擴展，想增加制冷量或?qū)嶒灴臻g，往往需要更換整套系統(tǒng)；冷卻單元和測量布線深度耦合，牽一發(fā)而動全身；隨著量子計算進入數(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)兼容的標準化形態(tài)。

這就是為什么Bluefors和中科量儀不約而同地選擇了模塊化方向。

模塊化稀釋制冷機的核心邏輯是"搭積木"：每個模塊可以獨立運行，也可以通過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；方形設(shè)計允許從多方向接入維護，多模塊拼接后內(nèi)部形成連續(xù)的大空間。

這個方向變化意味著稀釋制冷機正在從"科研儀器"演變?yōu)?量子計算基礎(chǔ)設(shè)施"。它的客戶，從高校和科研院所，延伸到數(shù)據(jù)中心運營商和量子計算云服務(wù)提供商。市場的量級會隨之改變。

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

六、仍然存在的短板

客觀地說，國產(chǎn)化的成果不應(yīng)被過度渲染。整體來看，中國在量子科技領(lǐng)域（包括制冷機在內(nèi)）與美歐的差距在三五年間。制冷機方向上，整機的國產(chǎn)替代基本完成，但產(chǎn)業(yè)鏈仍有三個核心的卡脖子環(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，主要來源于核反應(yīng)堆的副產(chǎn)品。中國的氦-3提純技術(shù)已有進展，但在供應(yīng)量和純度穩(wěn)定性上仍存在風險。

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

高精度溫度傳感器。美國Lakeshore的低溫溫度傳感器是全球科研標準，精度和可靠性暫無國產(chǎn)替代品能完全對標。在極端低溫環(huán)境下，溫度測量的精度直接影響整機性能。

除技術(shù)短板外，還有一個體系層面的差距：國內(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量子計算用戶的長期緊密合作——用戶的需求直接驅(qū)動產(chǎn)品演進。這種生態(tài)層面的協(xié)同能力，是中國稀釋制冷機產(chǎn)業(yè)目前相對薄弱的一環(huán)。

在市場份額上，2024年中國企業(yè)合計僅占全球約13.74%，與中國在量子計算研發(fā)上的規(guī)模和投入不相稱。這個缺口，也是國產(chǎn)企業(yè)未來的成長空間。

七、結(jié)語

稀釋制冷機是量子計算產(chǎn)業(yè)鏈里一個典型的"沉默關(guān)鍵節(jié)點"——存在感不強，但一旦斷供，整個產(chǎn)業(yè)鏈就運轉(zhuǎn)不了。

從2021年中科院物理所的第一臺10mK國產(chǎn)樣機，到2024年國產(chǎn)化元年的多家商業(yè)交付，中國用不到四年時間完成了整機層面的國產(chǎn)替代，這個速度是實實在在的。

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

這個賽道的故事，還沒到可以收尾的時候。