GM造冷机：SNSPD的“最佳搭档”
2020年，中科大“九章”光量子推
2020年，中科大“九章”光量子推算原型机问世，其搭载的百通路超导纳米线单光子探测器（SNSPD）必要建设8台GM造冷机，占据了半个房间的空间，让不少钻研人员望而生畏。量子领域是否也有“摩尔定律”？主题设备体积能否持续缩？如今五年从前，百通路SNSPD的体积有了怎么的变动？本文将为你揭晓答案。
图1 “九章”光量子推算原型机的SNSPD探测器
一、意识G-M造冷机
提及“极低温造冷”，无数人会想到物理尝试室里需两人环抱一向冒烟的液氦杜瓦罐。而G-M造冷机作为商用化最成熟的“幼型化极低温解决规划”，在2K（-271℃）温区展示出凸起的性价比。
1、什么是G-M造冷机？
G-M造冷机全称为“吉福德-麦克马洪造冷机”，由美国工程师吉福德（W. E. Gifford）和麦克马洪（H. O. McMahon）于1960年发现，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造冷机利用于低温物理钻延注超导磁体等领域，随着量子技术的发展，凭借“幼型化、低成本、长命命”的特点，成为SNSPD器件的“标配低温源”。
2、G-M造冷机的“呼吸式造冷”魔法
G-M造冷机基于“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造冷。
2.1、主题结构：压缩机+冷头，各司其职
图2 GM 造冷机结构示意图
G-M造冷机重要由压缩机和冷头两部门组成：
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，为造冷循环“打气”。
冷头：位于低温端，既是造冷主题，也是 SNSPD 的 “栖身地”，内部蕴含驱动机构、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”：
一级冷台：温度约40K（-233℃），重要掌管“预冷”，拦截室温的辐射热和线缆漏热，是低温环境的“第一路防线”。
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装置器件，表表经镀金抛光处置，以削减辐射漏热。
2.2、工作道理：四步循环，实现“绝热降温”
G-M造冷机的造冷过程是“氦气的压缩-膨胀循环”，分为四个关键阶段，好似一次齐全的“呼吸”：
图3 GM 造冷机冷却循环的四个阶段
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、排气阀关关，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景象。
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 ；厝绕髂诘牡臀滦罾渥柿希ㄈEr3Ni、HoCu2等磁性资料）比热容大，急剧吸收氦气热量，使氦气温度从室温降至约40 K（靠近回热器温度），随后进入冷腔。此阶段压力维持不变，温度却大幅降落。。
绝热放气阶段（“降温”）：活塞达到气缸顶部时，进气阀关关、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，凭据热力学定律，气体膨胀内能削减，温度急剧降落，这是产生“极低温”的关键步骤，类似打开可涝炜时瓶口结霜的道理。
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资料（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，实现一次循环。
这四个阶段以1-2 Hz的循环频率不休沉复，冷头温度逐步降低并不变在2 K。现实循环中因回热器阻力、阀门延长等成分影响，存在少量能量损失，造冷量低于梦想值。
二、主题参数：衡量G-M造冷机的“硬指标”
要相识G-M造冷机“能塞几多SNSPD”，需先看懂其关键参数，这些数据直接决定造冷机“承载能力”，是工程师设计多通路系统的主题凭据。
1. 造冷机能参数：决定“能扛几多漏热”
最低造冷温度：裸机无负载时，二级冷台最低温度通常为2.0-2.3K，受个别差距和冷头朝向影响。
造冷量：指冷台在特定温度下能带走的最大热量，主流型号额定造冷量为0.1W@4.2K。该数值决定总漏热上限，如0.1W造冷量意味着所有组件漏热总和需远幼于100mW。
降温功夫：从室温300K降到2.3K，裸机通常需1.5-2幼时，带负载时约8幼时，降温速度越快，系统启动效能越高。
2. 结构参数：决定“能装几多组件”
二级冷台尺寸：作为SNSPD的“栖身地”，通常设计为直径15厘米左右的圆盘，面积约180 cm?。
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“持久靠得住性”
陆续运行功夫：商用G-M造冷机设计寿命约15000幼时，期间无需守护，适合SNSPD“7×24幼时”不间断工作。
振动水平：冷头运行使伛动幅度约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，冷头无额表功耗，整体功耗与家用空调相当，适合尝试室部署。
三、GM造冷机的“扩容革命”
“一个G-M造冷机里能塞几多SNSPD”的答案不休被刷新，从早期16个，再到如今的100个，背后是G-M造冷机“漏热节造”和“空间优化”的技术突破。
1、早期瓶颈：漏扰纂空间的“双沉限度”
早期G-M造冷机仅能包容16个SNSPD，主题瓶颈有两个：
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，若选取16根，漏热达10.56 mW，靠近造冷量的10%。
封装体积大：体积约1.5 cm?/个，15厘米直径的冷台最多装30个，且需预留线缆空间，现实仅能装16个左右。
2、突破1：射频线“瘦身”
主题突破是用“低温顺性带状线”代替传统铍铜电缆：
结构优化：内表导体用直径仅几十微米迪腚铜（比同轴电缆幼一个数量级），介质层用低热导率的聚酰亚胺。
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。
空间优化：15厘米长的带状线可直连一级（40K）和二级（2K）冷台，无需围绕，节俭大量空间。
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)低温顺带线系统
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 cm?降至0.7cm?，削减50%。
密度提升：15厘米直径的冷台可装载100个器件，通路密度达0.5个/cm?。
图5 SNSPD封装对比
4、最新进展：百通路SNSPD探测系统
中科院上海微系统所SNSPD团队在冷腔中集成100通路SNSPD器件，最低温幼于2.5 K，可同时支持大规模SNSPD器件并行工作和幼型化SNSPD相机工作。
图6 百通路SNSPD探测系统原型机
四、未来瞻望：GM造冷机还能“塞”几多SNSPD？
目前单台GM造冷机里面已能够实现百通路SNSPD的集成，但G-M造冷机和SNSPD的潜力不止于此。未来，G-M造冷机或许能包容200个甚至300个SNSPD，这必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），同时选取光纤阵列等法子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垂直安插在环形板上，空间利用率提升N倍 ；
3、高温区SNSPD
通过调节资料比例、成长前提等参数或者基于更高温区的超导资料研发SNSPD器件，有望实现SNSPD在更高温度优良工作，好比4.2K、10K甚至20K，漏热需要可大幅降低 ；
五、结语
从16个到100个，再到未来有望实现的200个，GM造冷机包容SNSPD数量的每一次突破，都标志取量子探测集成化的进取。GM造冷机的价值远不止“装得多”，它更是量子技术从“尝试室走向实用化”的关键桥梁。它将百通路系统成本从千万级降至百万级，让量子推算、量子通讯的“规 ；”成为可能，既为量子技术撑起了一片“极寒世界”，也为人类索求微观世界启发了更辽阔的空间。
参考文件
https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E8%B6%85%E4%BD%8E%E6%B8%A9%E5%86%B7%E5%8D%B4#
