本文来自微信公众号： 返朴 ，作者：金贻荣


近日，美国能源部宣布，已根据《2020年能源法》（Energy Act of 2020）将氦气认定为关键材料，成为该机构指定的20种关键材料之一。氦气被誉为“黄金气体”，是稀缺的战略性资源。氦气的同位素氦-3更是极度稀缺，在氦气中的占比也仅有百万分之一。而氦-3是稀释制冷机的关键原料，且目前有不可替代性。稀释制冷机可提供毫开尔文级超低温环境，是极端科学研究的重要基础设施之一，也是超导量子比特稳定运行的关键。


目前，中国在稀释制冷机研制方面实现了自主突破，但尚未形成成熟的氦-3商业化供应产业链。在量子计算产业化热潮下，氦-3是否会成为该领域未来突破的“阿喀琉斯之踵”？


本文收录于合集：量子科技


2026年10月23日，美国能源部（Department of Energy，DOE）正式将氦气列为关键材料，以加强美国制造业和供应链安全。同年7月，中国商务部、海关总署发布公告，决定对氦气实施临时禁止出口管理。这些决定均凸显了氦在现代高科技产业中日益重要的战略地位。


氦气化学性质极为稳定，沸点极低、导热性能优异，因而在半导体制造、医疗健康、航空航天与国防军工等领域具有难以替代的作用。在芯片制造中，氦气既可作为等离子体刻蚀、化学气相沉积（CVD）等工艺的气体或载气，也用于晶圆背面的传热冷却，以维持精密加工所需的温度均匀性与过程稳定性；其惰性还降低了与反应气氛的交叉干扰。在医疗领域，传统超导磁体核磁共振成像（MRI）设备依赖液氦维持极低温运行环境；尽管少氦、零蒸发与高临界温度超导等技术不断推进，液氦仍是大量在用设备的关键制冷介质。在航空航天与国防领域，氦气广泛用于推进剂贮箱与管路的增压、吹扫，以及高灵敏度检漏。此外，磁约束核聚变装置、粒子加速器、超导电力与量子计算稀释制冷等大科学与尖端设施，同样需要以氦为工质的深低温制冷系统，以维持大型超导磁体及毫开尔文温区实验平台的稳定运行。因其资源稀缺且提取高度依赖天然气伴生分离，上述用途叠加后进一步凸显了氦气的战略属性。


氦-3（³He）是氦的稀有稳定同位素，用途与普通氦气（⁴He）有明显分野，且供给更是高度受限。因其对热中子具有很大的俘获截面、对γ射线响应极弱，氦-3长期是气体正比计数管中子探测器的优选介质，广泛应用于口岸与核安保辐射门户监测、核保障监督、科研中子散射设施，以及油气测井等工业场景。在极低温领域，氦-3是稀释制冷机的核心工质：借助³He–⁴He混合溶液的相分离与循环，可将温度推进到毫开尔文量级，支撑凝聚态物理、超导量子计算测控等实验平台。医学上，超极化氦-3还可作为肺部磁共振成像的气体造影介质，用于呼吸系统疾病的功能成像研究。能源方向上，氘–氦-3聚变因次级中子少、理论上更接近“无中子或少中子”路线而受到关注，只是仍处早期探索阶段，远未形成可用产能。目前全球氦-3主要来自氚衰变产物的回收，而非大气或常规天然气直接分离；供给紧张、价格高昂，使其在中子探测与极低温量子装置中的战略价值更为突出。


随着全球高端制造业和前沿科学技术的发展，氦气需求不断增长，供应端却高度集中。全球氦气生产长期依赖美国、卡塔尔、俄罗斯等少数国家，供应链容易受到地缘政治、生产设施故障和国际运输条件的冲击，近年来多次出现供应紧张和价格剧烈波动。对我国而言，近年来天然气提氦和氦气纯化技术取得了一定进展，国产产能也在持续提升，但氦气供应仍高度依赖进口，关键领域的供应链安全问题不容忽视。


至于氦-3，因其来源的特殊性，全球仅美国和俄罗斯能对外供应。作为量子计算领域的从业者，笔者一直高度关注氦-3的供应问题。目前，我国在量子计算供应链方面已取得很多突破，稀释制冷机、低温低噪声放大器、超导同轴电缆等均已实现国产自主，但仍有部分原材料和核心器件依赖进口，氦-3尤为令人忧虑。随着量子计算产业化的蓬勃发展，氦-3需求必定会激增，但供应却不会增长，且来源单一。在“十五五”量子计算未来产业发展的关键窗口期，氦-3会不会成为量子计算产业化的“阿喀琉斯之踵”？


当量子计算遇上稀缺资源


19世纪初，法国物理学家雅克·查理（Jacques Charles）和盖-吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac）通过实验发现，对于理想气体，在恒定压强下，体积与温度呈线性关系。如果将这一关系外推至体积为零的极限情况，可以得出一个温度的极限：-273.15°C。1848年，英国物理学家开尔文勋爵（Lord Kelvin，William Thomson）在此基础上，结合热力学定律提出了绝对温标，将温度下限定为0 K，这就是绝对零度的概念。


查理—盖-吕萨克定律：理想气体在固定压强的情况下，体积与温度成正比，系数为1/273.15。因此当体积为零时，我们可以外推出此时的温度为零下273.15°C。丨图源：作者绘制


于是，我们知道了宇宙的温度是有下限的。在这个温度下，分子的动能为零——这是真正意义上的死寂。随着量子力学的诞生及我们对微观世界的进一步理解，我们了解到这个温度下限永远也不可触及——物质运动总是存在不确定性原理引起的涨落。不过，这仍引起了科学家的极大兴趣：如果能够将热运动尽可能压制下去，我们就有可能看到越来越多被“热”压制的新奇量子现象并加以利用。


如今，我们已经不再满足于发现自然界的量子现象，而是要进一步“掌控”量子世界，在可控的自然或人造量子系统中进行超越经典的量子信息处理、传输和感知。因为前面提到的好处——极限压制热运动带来的不可控影响，极低温成为很多量子技术必要的环境。这其中就包括谷歌、IBM等巨头引领，也是当前最具工程前景的量子计算技术——超导量子计算。


几年前我曾在一篇科普文章《接近绝对零度的死寂中，居然隐藏着量子计算这样的大杀器？》中做过关于低温技术的简介。获取接近绝对零度的温度依赖于一种极其稀缺的自然资源——氦-3。


氦元素的两种同位素：氦-3包含2个质子（绿球）和1个中子（黑球）；氦-4包含2个质子（绿球）和2个中子（黑球）。原子核外有两个电子（蓝色小球）环绕。由于氦的电子轨道刚好是满的，几乎无法与其他元素形成稳定化合物，具有这种性质的一类元素被称为“惰性气体”。之所以称为“气体”，是因为惰性元素之间相互作用非常微弱，自然状态下所有的惰性元素均以原子气体的形式存在。丨图源：https://balerionspace.substack.com/p/the-helium-3-imperative


提到氦-3，就不得不从稀释制冷谈起。目前满足超导量子计算、硅基自旋量子计算、拓扑量子计算等固态量子体系的温度及制冷量要求的成熟商业方案，仅有稀释制冷技术。关于稀释制冷的原理，在我之前的那篇文章中已经简要介绍过，在这里就不再赘述。这项技术起源于上世纪50年代一位物理学家的“疯狂”设想。


1951年，德裔英国物理学家海因茨·伦敦（Heinz London）在牛津大学一次会议上提出：将普通氦-4与稀有同位素氦-3混合，可通过特殊的相变大幅增强冷却效果。这就类似于人体汗水蒸发或冰化为水，通过物质发生相变需要从环境吸热来实现降温，只不过不同于水从液相变成气相吸热，稀释制冷是通过氦-3、氦-4的两种混合液相的相变实现吸热。由于这种冷却过程必须伴随从浓相到稀相的相变，因此被命名为稀释制冷。


稀释制冷机内部结构。左侧为一台Bluefors LD400型制冷机的剖面图。右上图为稀释制冷单元的结构，从上到下分别是蒸发室、盘管热交换器、层级热交换器和混合室。右下图为混合室内部示意图。氦-3（蓝色小球）浓相浮在稀相上面，氦-3原子从浓相穿过界面进入稀相（发生相变）需要从外部吸热，产生冷却效果。丨图源：A.Mastin/Science


伦敦在提出这个想法的时候，被同行们嘲笑为天方夜谭。因为氦在大气中仅占百万分之五，而其稳定同位素氦-3的丰度只有百万分之一，也就是说，大气中的氦-3占比只有万亿分之一水平！即便这一技术原理可行，我们也很难以经济地获取足够的氦-3。有意思的是，这种短缺很快因为冷战逐步推向高峰而得到缓解。美苏两国在冷战高峰期大量囤积发展氢弹的原材料——氚，这是一种氢的同位素，它包含一个质子和两个中子。氚在自然状态下并不稳定，半衰约为12年半，会逐步衰变为另一种稳定的元素——氦-3。美国能源部在维护核武库存的时候会捕获氦-3并进行出售，因为除了用于制冷以外，氦-3还有一个重要用途是作为中子探测器/计数器。


解决了来源问题之后，稀释制冷的实验研究就成为可能。上世纪60年代中期，荷兰莱顿大学的研究组成功研制出了第一台稀释制冷机，将温度降到了大约0.22 K。随后这一温度纪录不断被打破，最低能够达到2 mK以下，也就是比绝对零度仅高出0.002度。


供需矛盾：数字背后的危机


稀释制冷技术是进行极端条件科学研究的利器，早年主要也仅在极端科研中使用。获2023年度国家最高科学技术奖的薛其坤院士，其代表性工作——量子反常霍尔效应的发现，就是在稀释制冷机中观测到的。最近十年，随着量子计算技术的高速发展，稀释制冷机的需求量暴增，全球保有量已经超过2000台，并仍将以接近10%的复合增长率快速发展。可以预见，随着量子计算实现商业量子优势，稀释制冷机的需求还将发生阶跃式暴涨。


然而，随着冷战结束，全球热核战争的风险大幅降低，全球主要拥核国家对核武器都进行了大幅的缩减，这意味着氦-3的供应趋于稳定，而其需求却随着量子计算技术的发展而愈发旺盛。这一矛盾，会不会随着量子计算产业化而加剧呢？


事实上，美国很早就意识到这个问题。2021年11月22日，美国国家科学基金会（NSF）正式发布了一份针对新型极低温制冷技术的指导性文件[1]，旨在应对氦-3供应短缺问题，同时推动量子计算、量子传感等前沿领域所需的超低温（<1 K）制冷技术创新。作为氦-3主要供应国的美国尚且如此，作为氦-3几乎完全依赖进口的中国，这一问题自然就更为严重。


我国方面，2024年国家原子能机构等12部门联合发布《核技术应用产业高质量发展三年行动方案（2024—2026年）》，该文件明确提出，“加快形成稳定同位素生产能力”是重点任务，其中包括氦-3。在贸易管理上，氦-3被列入两用物项出口管制清单；2026年7月商务部、海关总署决定对氦气实施临时禁止出口管理。


当前，全球稀释制冷机的需求量大约在500台/年的水平，总装机量在2000—3000台；未来3—5年可能增长到800—1500台/年，总装机量将达到5000—8000台水平。据此我们可以估算出每年的氦-3需求量为3—5万升，未来三年这一需求量将翻倍。而氦-3的全球储备量大概在10万升的水平，年产量则基本稳定在2万升水平。随着时间推移，氦-3紧缺将成为必然。


全球稀释制冷机的市场规模、年需求量和累计装机量预测图。丨图源：作者绘制


解决这一问题的途径不外乎两条：一是寻找新的氦-3来源，二是寻找不依赖氦-3的替代制冷技术。针对前者的一些尝试包括前往月球开采氦-3，或通过商业化的重水核反应堆来增殖提取。近期同样在快速发展的未来产业——核聚变能技术中也会大量用到氚，一些新型聚变技术，包括氘—氘（D-D）聚变和氘—氦-3（D-3He）聚变也都涉及氦-3的产生或消耗。那核聚变会不会为氦-3供应带来新的希望呢？遗憾的是，短期看不太可能，反而可能加剧氦-3供应的紧张；不过长期来看，一旦聚变能实现持续商业化，氦-3是有可能通过中子增殖实现自给的。


寻找Plan B：不依赖氦-3的制冷技术


与此同时，学术界和产业界也在积极寻求稀释制冷的替代技术。其中一个较有前景的可商业化技术是绝热退磁制冷（ADR）。这种技术的基本原理是利用磁场下极化的顺磁材料在退去磁场之后会自发退磁，这个过程会从环境中吸收热量，达到制冷效果。


它同样不是一项新技术，而是诞生于上世纪30年代的老技术。与稀释制冷相比，有两个关键的制约因素限制了其应用：首先是退磁产生的降温效果难以连续维持；其次是需要较高的磁场，而大的变化磁场对很多实验，特别是量子计算不友好。随着新型顺磁材料和热开关等技术的不断进步，这些问题有望得到大幅缓解。一家德国的制冷公司kiutra就是采用优化的顺磁材料组合加上多个制冷源交替制冷，不仅极大降低了对磁场强度的要求，同时也实现了长时间的连续制冷。不过，这一技术距离实现量子计算所需的20 mK以下极低温及足够的制冷量仍有一段距离。


此外，一些团队则正在研究一些新奇的制冷技术，比如热电子隧穿制冷、LED（发光二极管）热泵等。前者利用结型器件中热电子隧穿不断带走电子热量，后者则利用欠压工作的LED从晶格中窃取能量并以光的形式辐射出去。这两种新技术都有望直接集成到量子芯片中，实现片上制冷。但它们仍处在非常初期的阶段，还有很多技术问题有待克服。


我在做博士研究生时，我们有一个课题是尝试用NVS（正常金属-真空-超导）结中的隧道效应研究电子费米速度。研究过程中我们发现，这种隧穿效应可以将金属层中的热电子“抽走”，实现降温效果。为此我们专门研究了一段时间该如何做出这样一个装置，但最终还是放弃了这个设想，主要的原因是制造大面积无接触的纳米级真空间隙太具挑战性。现在回想起来，那仍算得上是一次非常脑洞大开、很有意思的尝试。


其他探索中的新奇片上制冷技术。左侧是采用LED来“偷取”晶格能量的示意图。给LED施加一个低于其发光阈值的电压时，LED会从周围自由度“窃取”能量然后发射光子。右侧则是利用电子隧穿效应制冷的示意图。正常金属层（蓝色区域）中的电子有一定概率隧穿通过绝缘层，进入超导层（黄色区域）。越“热”的电子隧穿概率越高，通过不断“抽取”这些热电子，金属层中的电子温度将不断降低。丨图源：A.Mastin/Science


我国的氦-3几乎完全依赖于进口，寻求可持续的生产方式已成为紧迫之事。同时，开发不依赖于氦-3的可持续极低温获取技术同样非常重要。


最后，回到本文前面提到的问题：在量子计算产业化热潮下，氦-3会不会成为“阿喀琉斯之踵”？


我的预测仍是乐观的，那就是不会。首先，提升氦-3产量最直接的办法是提升氚的产量和储备量。随着核聚变能产业的发展，全球对氚的需求量也将同步增长，而聚变产生的中子又可以进一步用于氚的增殖。如果核聚变逐步实现商业化，氦-3作为其副产品实现低成本闭环自给自足是完全可能的。另外，建设更多的重水裂变堆，在满足民用电力需求的同时，也可以持续生产氚。其次，新的替代制冷技术，比如绝热退磁技术在未来五年内有望实现真正的商业化，届时也将大幅缓解对氦-3的需求。


我国作为全球量子技术发展最快的国家之一，目前还不具备氦-3的商业生产能力，这一现状必须要尽快改变！并且应加大新型替代极低温技术的基础研究和产业化投入。未来五年是解决这一供需危机的关键窗口，我相信在我国的体制优势、制造业和工程师优势基础上，这一问题必将得到完美解决！


注释


[1]National Science Foundation.(2021).Dear colleague letter(DCL):Cryogenics below 1 K—Systems,cycle,and materials(NSF 22-018).https://www.nsf.gov/funding/opportunities/dcl-cryogenics-below-1-k-systems-cycle-materials/nsf22-018