0 引言
近年来，全球科技竞争日趋聚焦极端条件下的技术突破，低温科学的战略地位愈加凸显。该学科以120 K以下温区为研究对象，通过探究物质在极低温下的结构演化、能量传递规律和物理化学行为，为开发极端条件的新材料、新器件与新系统提供理论基础与技术路径。随着量子计算、超导技术、氢能利用等前沿领域的快速发展，低温环境控制与材料性能优化面临着严峻的挑战。同时，深空探测、极地资源开发等国家重大战略需求，以及全球能源转型与气候变化应对的紧迫性，进一步推动了低温科学从基础支撑向关键使能技术的转变。本研究系统梳理了全球低温科学与技术的发展现状、竞争格局与前沿趋势，通过多维度综合研判，旨在为我国在该领域的前瞻性布局与关键技术创新突破提供战略参考与决策依据。
1 研究方法
本研究采用多源情报分析方法，构建融合宏观政策、科技文献与专利数据的综合分析框架。通过多维度数据交叉验证与互补研判，系统解析低温科学领域发展现状，为战略建议提供可靠支撑。
1）基于政策文本对比分析，以中国、美国、日本、欧盟、俄罗斯等主要科技体权威机构发布的战略规划与发展布局为数据源，系统梳理并比较主要国家的战略布局，揭示全球竞争格局。
2）基于科技文献计量分析，以 Web of Science（WoS）、Essential Science Indicators（ESI）为核心引文数据库，补充国际低温工程大会（ICEC）、国际低温材料大会（ICMC）等领域顶级会议论文，构建核心文献数据集。运用Citespace、VOSviewer 等工具，开展关键词共现、作者/机构合作网络、文献共被引及研究主题演化分析，结合突现检测识别新兴研究前沿，客观表征领域知识结构与研究热点演进。
3）基于专利情报深度解析，选用全球专利数据库构建低温科学核心技术专利数据集，剖析技术分布与演化路径，从专利视角识别竞争焦点。
2 全球低温科学领域战略布局
低温科学已成为全球主要科技强国的战略焦点，其发展水平直接制约着极端环境开发、高端科技突破等关键能力。围绕深空探测、量子信息、清洁能源等核心领域，各国正结合自身科技基础与战略目标开展系统化布局。下文将梳理美国、欧盟、日本、俄罗斯和中国涉及低温科学的相关政策，通过对比各国战略布局异同，提炼其竞争焦点与差异化技术路径，从而为我国明晰自身战略定位、优化发展路径提供关键参照。
2.1 美国
美国依托多部门协同机制系统推进量子计算、氢能储运、低温流体管理等前沿方向的战略布局。在量子计算领域，美国通过多维度政策与项目形成技术闭环：2018年4月，《国家量子计划行动计划》（
NQI Action Plan）依托量子创新实验室（QILab），重点推进超100量子比特量子计算机研制、量子材料优化及低温封装技术、高速电子控制系统创新，明确联邦政府、学术界与产业界协同的目标
[1]；2021年4月，美国国防高级研究计划局（DARPA）推出“低温逻辑技术”（LTLT）项目，聚焦电子器件在接近液氮温度下的稳定运行，突破高性能计算功率效率瓶颈
[2]；2023年6月，美国国家量子计划咨询委员会（NQIAC）进一步将低温系统效率提升、低功耗控制与测量硬件（含光学/射频组件及低温半导体）研发列为优先工程领域
[3]；2024年10月，美国信息技术与创新基金会（ITIF）数据创新中心发布《美国的量子政策方针》，强调为电子、光子学与低温技术创建必要基础设施与制造技术体系，强化量子计算底层支撑
[4]。同期，在氢能储运领域，美国国家航空航天局（NASA）发布“用于氢气服务的高性能材料”主题资助通知，明确将低温服务条件下的先进材料开发列为重点方向，着力解决车载氢储存系统在成本控制、安全保障与性能优化中的关键技术问题
[5]。低温流体管理方向，NASA将其列为“从月球到火星”探索计划的基础性技术，重点攻关超冷流体（液氢、液氧、液态甲烷等）的储存、传输与测量等核心技术环节，推动低温流体管理（CFM）技术的创新研发
[6]。此外，低温技术在民生领域的跨学科价值亦被重视：2018—2024年，美国国立卫生研究院（NIH）启动“国家低温电子显微镜中心项目”，持续推动冷冻电镜技术在生命科学研究中的应用，拓展了低温技术的应用边界
[7]。
2.2 欧盟
欧盟地区通过系统性顶层设计与跨领域协同攻关，构建了覆盖量子计算、信息通信技术（ICT）、氢能储运等前沿领域的创新生态。在量子计算领域，2018年10月，欧盟启动量子旗舰计划
[8]，并于2020年3月发布了《量子技术旗舰计划战略研究议程》
[9]，推动了低温量子芯片封装与低温电子器件研发；IMEC于2024年8月牵头启动“用于创新计算的低温技术高级研究”（ARCTIC）项目，围绕新兴量子计算产业及各类低温启用ICT应用，构建完整且全面的欧洲低温光子学、微电子学及通用低温微系统供应链，针对低温环境下电子器件性能特殊性（尤其量子处理器连接等敏感场景），重点开发适配低温运行的材料、制造工艺、异构封装技术及专用器件电路，创新低温系统模拟方法，强化低温建模与标准化研究，旨在突破量子比特控制电路噪声耦合与信号完整性瓶颈
[10]。在氢能储运领域，2022年2月28日，欧盟清洁氢合作伙伴关系“清洁氢能联合行动计划”发布《2021—2027年氢能战略研究与创新议程》
[11]，明确“低温液氢储运”为优先方向，关键技术包括高效低温绝热材料、低蒸发率储罐设计、低温泵阀系统优化。欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）项目
[12]，以及欧盟通过“地平线欧洲”计划，系统支持低温技术在量子计算、氢能、材料等领域的交叉应用，进一步推动了技术产业化。
2.3 日本
日本通过多层次政策体系明确将低温技术列为能源转型与低碳社会建设的核心支撑，构建了覆盖量子技术、超导技术、氢能、LNG等低温创新网络。在量子技术方面，2020年1月21日，日本统合创新战略推进会议发布《量子技术创新战略（最终报告）》
[13]，强调要加强量子材料、半导体技术、低温电子技术、稀释冰箱冷却技术等研究。2020年，日本科学技术振兴机构（JST）主导“登月计划6”
[14]，旨在到2050年实现容错通用量子计算机，重点支持极低温多芯片安装系统、极低温环境下光/CMOS集成电路的可扩展性经典-量子接口等。在能源领域，日本2017年发布并于2023年修订《氢能源战略》
[15]、2025年发布《日本能源白皮书2025》
[16]和《日本第七期能源计划》
[17]中，明确将LNG/液氢/液氨低温液化、低温冷却、低温储存与运输，以及低温材料与安全等列为关键突破方向。
2.4 俄罗斯
俄罗斯在低温科学领域的布局呈现关键战略需求为牵引，军民融合、多领域协同的体系化发展路径，尤其聚焦北极开发、航天探索、能源等战略方向。2017年3月31日，俄罗斯国家航天集团公司（ROSCOSMOS）发布《2025年前ROSCOSMOS发展战略》
[18]，将燃料长期低温存储技术列为载人航天和运载火箭等的核心技术。俄罗斯2020年10月发布并于2023年2月修订的《2035年前俄罗斯联邦北极地区发展和国家安全保障战略》
[19]，构建了“政策—工程—技术”“三位一体”的低温创新体系，以2030年北极航道商业化为核心目标，系统性推进极寒环境材料研发、LNG储运工艺优化及生态适应性技术突破。2025年4月，俄罗斯总理批准《2050年前俄罗斯联邦能源战略》
[20]，在LNG产业、氢能应用、北极能源开发等应用场景中，明确提及依赖低温液化、低温储存与运输技术，并将“LNG低温设备”列为国产化的关键技术之一，具体涵盖大型LNG液化装置、低温换热器/泵阀、液氢低温压缩机/汽化器等。
2.5 中国
中国在低温科学领域的政策支持与重大项目布局方面已构成层次清晰、领域协同的系统化体系，重点围绕量子技术、能源转型、高端装备、新材料及民生保障等方向展开，涵盖国家规划、专项工程、产业指导等多个层级。2022年，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》
[21]，推动低温液氢储运产业化应用，探索深冷高压复合储运技术。2024年，工业和信息化部印发《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》
[22]，加速LNG储运泵、深冷压缩机、低温管道与软管、密封与真空设备等装备产业化。2025年，国家能源局等部门发布《关于推进能源装备高质量发展的指导意见》
[23]，进一步强调要加强液态、深冷高压复合储运技术攻关，研制能耗氢液化膨胀机等储运装备。国家发展和改革委员会分别于2024年和2025年印发《绿色低碳先进技术示范项目清单》
[24-25]，强调应重点加强浸没式冷却、超低温材料焊接工艺、低温能源梯级利用、低温高密度储存等技术研发。此外，在科技部和基金委员会发布的国家重点研究计划
[26-29]中，提出要重点资助极低温制冷技术、物态测量与调控、大型低温系统与关键零部件等项目，以推动量子技术、能源与化工、储能、医疗等应用领域实现关键技术突破。
通过对主要科技强国低温科学战略的解析，探究其差异化布局逻辑。其中，美国将低温科学定位为支撑多领域前沿突破的基础性关键技术，其战略核心在于确立并维持其在“量子信息科技”与“深空探索”的主导地位。美国的“双轨并行”技术布局在于：在量子领域，攻坚超导比特低温封装、极低温CMOS控制与高效制冷集成技术；在航天与能源领域，超前布局推进剂在轨长期储存与管理（CFM）技术以及高性能储氢材料。而欧盟将低温科学提升至“战略技术与产业自主”的高度，核心目标在于构建“量子计算”与“氢能储运”的自主产业生态，其核心技术聚焦于低温微电子与光子学的集成、低温系统建模与标准化，以及高效液氢储运装备。与之对比，日本与俄罗斯的布局更具鲜明的现实问题导向。日本基于能源资源匮乏的国情，将低温技术定位为保障能源安全与产业竞争力的关键基础，重点突破液氢/液氨等大规模低损耗储运装备，以及极低温多芯片系统的高可靠集成；俄罗斯的布局则紧密服务于地缘战略与资源主权，聚焦于解决北极开发、航天探索与能源领域的实际挑战，核心技术体系涵盖极寒环境特种材料、大型LNG液化与储运成套设备、航天器燃料的长期低温储存系统。
总结国际低温科技竞争格局，可以看出，美欧着力争夺量子计算基础技术制高点，日俄在极端环境能源储运装备领域塑造特色优势。在此背景下，中国以“体系攻坚与双向突破”为战略主线，形成了具有自身特色的布局路径：在能源方向，中国与日、俄同样重视低温储运，但更聚焦于深冷高压复合储运、大型氢液化系统及关键装备国产化，凸显了规模应用与工程集成的优势；在科技方向，中国与美、欧共同角逐量子计算基础支撑，但将重点布局在极低温制冷、物态精密测量与大型低温系统集成等底层能力建设，展现出贯通基础研究、技术攻关到系统集成的全链条布局思维。加强上述技术方向的发展，将有助于推动我国在清洁能源自主保障、量子科技源头创新与高端装备产业链安全等战略领域实现体系性突破，为我国在全球科技竞争中构建可持续的差异化优势奠定基础。
3 全球低温科学研究演化与工程应用
基于前述宏观政策维度的分析，下文将从文献计量视角切入，系统考察全球低温科学领域的前沿研究动态。通过比对我国政策导向与国际学术趋势，本研究旨在识别并论证我国优先布局的关键技术攻关方向。继而，围绕重点攻关方向提炼关键共性技术瓶颈，针对性开展全球专利分析，精准定位具有突破潜力的核心技术节点并探寻突破路径，从而为我国低温科学技术的纵深推进与重点攻关提供兼具前瞻性与可操作性的决策参考。
3.1 文献计量视角下的前沿动态挖掘
综合选取3类论文数据作为分析基础，包括SCIE（Science Citation Index Expanded）核心期刊文献、ESI（Essential Science Indicators）高被引/热点论文，以及ICEC/ICMC与CEC/ICMC等国际低温会议论文。其中，SCIE文献聚焦领域基础研究成果，ESI论文凸显具备科学突破性与学术引领性的前沿热点，ICEC/ICMC呈现低温科学工程应用与关键技术进展。通过对3类代表性文献整合分析，旨在从基础研究、学术影响力、技术应用3个维度，厘清低温科学研究的发展逻辑、识别创新前沿、追踪热点迁移。
3.1.1 学术研究前沿的识别与探测
统计SCIE收录的低温科学相关论文，共105733篇，筛选高被引和热点论文999篇作为数据基础。经统计分析，在论文发表总量层面，中国、美国、日本占比较高；在高被引/热点论文占比层面，英国、美国、中国依次居前；聚焦Nature/Science顶级期刊发文情况，美国展现出显著优势，中国位列第2。可见，中国在低温科学领域的研究呈现出活跃的发展态势，学术产出丰富且国际影响力稳步提升。经聚类分析，低温科学的学术研究主题热点在于：低温磁学与磁性晶体（Topic-0）、量子计算与信息（Topic-1）、低温合金（Topic-2）、超导技术（Topic-3）、中微子与低温探测器（Topic-4）等，主题分布见
图1。
为进一步挖掘低温科学领域研究前沿，依据近2年ESI研究前沿榜单（顶级论文集194篇）进行主题聚类分析。其中，前沿榜单共涉及10个主题，关联SCIE论文研究聚类主题分析发现：与Topic-0（低温磁学与磁性晶体）关联主题涵盖魔角石墨烯、新兴量子材料、分子量子反常霍尔效应等基础低温物理研究方向；与Topic-1（量子计算与信息）关联主题涵盖硅基量子平台、自旋量子比特、超导量子比特等关键硬件与核心单元；与Topic-3（超导与磁体技术）关联主题涵盖异常超导体材料超导特性探索，与Topic-4（中微子与探测器）关联主题涵盖超冷极性分子、偶极量子液滴/气体、超导纳米线单光子探测器等基础性前沿方向。
1）低温磁学与磁性晶体。
①“魔角双层石墨烯”（magic-angle twisted bilayer graphene, MATBG）因其在低扭转角度下表现的超导性
[30-31]、绝缘态
[32-34]、拓扑相
[35-36]、强关联效应
[37-39]和新兴磁性
[40]等系列奇异量子现象引起广泛关注。该主题围绕低温测量技术革新及新型多体理论验证等展开研究，推动低温科学迈向多参量调控、量子测量融合和功能器件化发展。
②新型量子材料探索及其独特物理性质研究中，量子度规（quantum metric）与berry曲率（berry curvature）作为刻画能带拓扑属性的核心物理量，分别主导或调控着量子度规非线性霍尔效应
[41-42]、内禀非线性霍尔效应
[43]及手征晶体光电效应
[44]的产生机制与特性。该主题围绕量子度规、berry曲率、相关量子器件等展开研究，推动低温科学向量子几何与信息物理方向发展。
③分数量子反常霍尔效应（fractional quantum anomalous hall effect, FQAH）主题围绕MoTe2双层及多层石墨烯的FQAH态
[45-46]、门控调控莫尔几何及热力学证据
[47-48]等展开研究，推动低温科学向从传统物性测量向量子材料调控方向的发展。
2）量子计算与信息。
①硅基量子计算平台的研究中，硅基双量子比特处理器、硅量子点及自旋量子比特等方面取得了显著进展。该主题围绕高保真度量子门操作
[49-50]、多量子比特扩展
[51-52]、低温集成控制系统
[53]及初步的量子纠错
[54]等展开，推动低温科学从传统极低温下的稳态实验体系向适应高集成度、高操作复杂度和更宽温域运行的新型量子器件物理平台演进。
②强耦合超导自旋量子比特、耦合量子点以及andreev自旋量子比特的研究成果，为未来量子计算技术的发展提供了新的可能性。该主题围绕多体拓扑量子态的构造与可控操控这一核心展开，推动低温科学从传统的单粒子量子态测量向多体、非阿贝尔、拓扑保护量子系统的操控演进。例如耦合量子点kitaev链
[55]、二维电子气中两站点kitaev链
[56]、andreev自旋量子比特相干操控
[57]以及全壳纳米线中磁通诱导拓扑超导性
[58]。
③超导量子比特包括transmon（传输线电荷量子比特）
[59-60]和fluxonium（磁通量量子比特）
[61] 2种类型，该主题围绕超导量子比特的材料优化与制造工艺提升以及降低退相干机制对量子态影响的理解展开，推动了低温科学从传统材料与工艺研究向高相干量子器件设计与复杂量子缺陷物理的深入探索发展。
3）超导与磁体技术。
常规/异常超导体材料研究中，BCS（bardeen cooper schrieffer）理论可以用来解释铌、铅等常材料的超导特性，而异常超导材料却表现出不符合BCS理论的解释
[62]。该主题围绕常规超导特性解析、异常超导特性观测等展开，推动着低温科学从常规超导的已知理论框架下应用研究，向异常超导的未知机制探索与复杂物态分析演进。
4）中微子与探测器。
①超冷极性分子（ultracold polar molecules）作为量子信息处理、量子模拟以及精密测量等领域中极具潜力的研究对象，该主题围绕超冷极性分子的制备
[63-64]、控制
[65]及其应用
[66]展开，推动低温科学从传统的单原子冷却与控制技术向高度复杂分子系统的制备、微观相互作用调控及量子态工程发展。
②在偶极量子液滴与偶极量子气体领域，该主题围绕长程各向异性偶极-偶极相互作用下的超固体态
[67-68]及量子相变的实验观测与机制解析
[69-70]展开，推动低温科学从传统的无相干玻色-爱因斯坦凝聚态研究向含有密度调制与相干性的复杂超固体物态及其动态调控发展。
③在超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）领域，该主题围绕提升时间分辨率
[71]与系统检测效率
[72]及其在量子信息处理
[73-74]中的应用展开，推动低温科学从传统单光子探测技术向高效、高速、集成化的超导纳米光子探测器及量子测量技术发展。
SCIE与ESI文献计量分析结果表明，中国正从学术成果重要产出者，向前沿技术突破的核心贡献者转变，国际影响力持续增强。通过主题聚类进一步识别出低温磁学与磁性晶体、量子计算与信息、超导技术、中微子与探测器4大引领性前沿方向，这些方向共同指向低温科学正从传统物性研究向多体量子调控、量子器件集成与拓扑物态探测等深度交叉领域系统演进。这些前沿主题不仅反映了当前的研究热点，更从学术演进逻辑上勾勒出该领域向功能化、体系化与量子工程化加速发展的未来路径，为把握低温科学的长期发展方向提供了清晰的学术地图。
3.1.2 工程技术前沿的追踪与研判
统计ICEC/ICMC与CEC/ICMC 2大国际会议1994—2024年SCIE核心合集收录的会议论文（4109篇），通过主题聚类分析，进一步从工程应用的角度追踪低温科学技术演进规律与最新研究热点。由
图2可知，低温科学研究主要围绕超导材料与器件、低温热管理技术与先进冷却技术展开。
可以看出，超导材料与器件相关聚类最为显著，涵盖#0超导磁体、#1临界电流、#5 Bi2223带材、#7超导薄膜、#9超导电缆以及#11导线等研究主题，紧密围绕超导材料在低温环境下的核心性能展开，重点攻关临界电流密度提升与电缆传输能力改进等核心制约其低温应用的关键性能。这些研究直接面向磁共振成像、聚变磁约束等严重依赖低温系统的应用场景，凸显了低温技术是实现超导材料从实验室走向工程应用的基础与前提。低温热管理与绝热技术涵盖#3液氢、#4热传导、#12热绝缘等研究主题，反映了学界在低温环境下高效传热、液氢存储及热损耗最小化方面持续深入的探索。先进冷却技术形成独立聚类，如#13脉管制冷机作为核心低温支撑技术，突显了面向极低温环境的无运动部件制冷研究热点；#2交流损耗与#8临界电流密度则聚焦于超导系统在低温工况下的交流能耗控制这一关键工程问题。此外，#6磁场和#10薄膜等主题因其强烈的低温物性依赖，成为连接基础物理与低温应用的关键纽带，共同凸显了低温科学中多尺度、多物理量耦合研究的重要性。
进一步通过关键词突现，揭示不同时段研究热点及其演进轨迹（
图3）。根据
图3的分析结果将研究热点阶段划分为3个阶段。
1）超导材料基础研究热潮阶段（1998—2006年）：关键词superconductors、microstructure、thin films、transport等关键词于2001—2004年集中突现，标志着研究聚焦于低温环境下超导材料的微结构调控、薄膜制备与电输运机制。关键词critical current density于2003年爆发，更揭示出提升低温载流能力是超导材料走向工程应用的首个关键瓶颈。
2）超导应用与制冷技术并进阶段（2006—2015年）：2008年是该领域的一个关键转折点，关键词pulse tube与heat transfer 同步突现，标志着无机械运动部件的先进低温制冷技术与高效低温热管理开始从实验室走向工程现场。关键词superconducting magnets 自1995年持续突现至2015年，长期占据低温应用研究的核心地位。同期，multilayer insulation、superfluid helium、cryogenic system等关键词的活跃，映射出航天、粒子加速器等大型装置对低温工程系统的规模化需求。
3）工程集成与系统应用深化阶段（2014—2024年）：design、performance、system等关键词相继突现，并且design的延续时间最长（2010—2024年），凸显研究范式由“材料-器件”单点突破转向“系统-场景”整体优化。关键词liquid helium、liquid hydrogen的再度升温，反映高能密度冷媒在现代低温体系中的不可替代性。关键词flow的突现则表明热-流耦合建模正成为提升系统效率与安全裕度的核心手段。
ICEC/ICMC与CEC/ICMC文献计量分析结果表明，低温科学技术研究始终围绕超导材料与器件、低温热管理及先进冷却技术3大核心方向，并呈现出清晰的阶段式演进脉络：早期侧重于超导材料的基础物性探索，中期演进为超导应用、低温制冷与热管理技术的并行发展，至近期研究范式转向以“系统设计-性能优化-工程集成”为核心的多物理场耦合与工程系统集成优化。这一发展历程整体揭示了低温工程技术已从离散的单元技术突破，深化为支撑（如磁共振成像、核聚变装置等）重大工程实现的、系统级的、协同化的综合性技术体系，凸显其作为关键使能技术在前沿科学与大科学工程中的核心地位。
3.1.3 面向国家需求的协同创新体系构建
通过对SCIE、ESI及国际会议论文等不同类型文献的整合分析，揭示出学术研究前沿与工程技术前沿在低温科学领域中存在着双向驱动与共生演进的内在关系。即学术研究在低温物性、量子计算等前沿的突破，为超导磁体、量子器件等工程实现提供了新原理与范式；而工程应用在系统集成、热管理等方面遭遇的极限挑战，又反向为基础研究注入了关键科学问题。二者构成了“理论引导突破，应用牵引方向”的紧密互动体系。我国低温技术政策导向、学术研究前沿与工程技术前沿的交叉分析结果表明，我国应围绕“超导材料低温应用工程化、低温热管理技术、先进极低温制冷技术、超导系统多场耦合设计”重点攻关。这些方向既承接了国际学术与工程前沿热点，又直接响应政策中“氢能储运装备自主化、量子计算硬件支撑、高端低温系统国产化”等核心目标，能够有效打通从基础研究到产业应用的链条。以顶层布局为指引，建议未来技术攻关聚焦以下方向：其一，面向量子信息与大科学装置等战略需求，发展高性能超导材料及极低温（mK级）集成制冷技术，攻克国家重点研发计划中“卡脖子”难题；其二，锚定氢能产业链与能源安全，重点突破深冷环境高效绝热与传热设备、大型氢/氦液化装置及关键泵阀压缩机等核心部件的自主研制。
3.2 专利视角下的核心技术竞争格局
低温制冷设备与低温材料是制约上述攻关方向的关键共性技术瓶颈，下文将聚焦这2个技术方向，结合全球专利数据分析，识别当前技术竞争的核心节点并探寻潜在突破路径。
3.2.1 低温制冷设备专利技术分析
基于近10年（2016—2025年）低温制冷设备领域的专利数据，以“年份”和“专利申请量”为分析维度，以“相关技术对应的IPC分类号分布”为分析目标。其中，专利申请量较多且每年均有布局的技术被定义为该领域的研究热点，仅近五年涉及有专利布局的技术被定义为该领域的前沿方向。
图4显示了该领域的技术演化趋势，由分类号的解析以及专利主题聚类结果可知，脉冲管制冷设备和斯特林制冷设备为专利布局热点，极低温制冷设备为专利布局前沿。其中，极低温制冷设备是量子计算硬件稳定运行的核心支撑装置与关键基础设施，脉冲管制冷、斯特林制冷等深冷设备是实现氢能装备自主化的核心子系统与关键技术突破口。为识别其中的关键路径与机会，参考“被引总次数”“同族国家数量”等指标筛选高价值专利，分析其技术演进路径并聚焦形成实质性突破的核心技术节点。
基于专利分析与发展脉络研判结果，脉冲管制冷设备、斯特林制冷设备与极低温制冷设备未来可突破的技术路径归纳如下。（1）对于脉冲管制冷设备，突破路径聚焦于：面向空间约束场景的多级微型化结构设计、基于高热导材料与微通道的高效热管理及换热技术、适应动态负载的智能控制算法、整机系统级的多目标协同优化，以及新型复合材料与异形结构在低温端的创新应用。（2）对于斯特林制冷设备，突破路径主要包括：向高集成度、模块化与智能化调控方向深化、推广使用低全球变暖潜能的环保工质及多元混合冷媒、面向移动与航空应用的轻量化紧凑型结构设计，以及涵盖热-机-电-控的多物理场耦合与系统级性能综合优化。（3）对于极低温制冷设备，突破路径从2个层面考虑：核心设备层面，重点实现极低温稀释制冷机等关键装备的集成化与高稳定性，涵盖新型稀释工质、紧凑型集成冷头、智能精密温控及固态预冷耦合等方向；共性技术层面，围绕智能化控制算法、环保工质应用、固态制冷微纳集成及模块化架构设计进行系统性创新。
3.2.2 低温材料专利技术分析
采用相同研究方法对低温材料技术脉络进行梳理，由
图5可知，相较于技术焦点相对集中的低温制冷设备，低温材料领域的专利布局呈现出显著的技术分散性。结合分类号的技术内涵解读，当前低温材料的热点方向以“解决现有低温场景的功能短板”为核心，主要围绕低温环境下“催化效率、结构支撑、功能传导”等关键需求展开，通过材料改性（如纳米化、复合化）持续突破性能瓶颈。其中：为克服低温反应活性与选择性瓶颈，催化类低温材料在低温SCR脱硝、择形催化分离及氢能纯化等领域被广泛应用；通过组分与微观结构设计，可显著改善结构/功能类低温材料在低温下的脆性、韧性及热稳定性，以解决氢能等领域的工程瓶颈问题。同时，前沿研究向高端功能材料延伸，依托超导材料、磷化合物半导体等新体系，填补了极低温环境下量子互联、红外探测及热电转换等领域的技术空白。这些研究方向共同构成对我国“氢能安全”与“量子科技”等核心战略的实际性支撑，其中，高性能超导材料、耐极端环境结构材料、高效催化与绝热材料已成为衔接基础研究突破与工程应用落地的共性关键。
为衔接基础研究突破与工程应用落地，低温材料领域未来发展应聚焦以下关键突破口：在高性能超导材料方面，重点探索液氮温区新型超导体系（如镍氧化物、铁基超导体）并突破其成材工艺；在耐极端环境结构材料方面，着力通过多尺度强韧化设计与表面工程，提升材料在深低温、高压等极端条件下的可靠性；在高效催化与绝热材料方面，致力于开发高选择性催化剂与超低热导轻质绝热材料，以满足氢能纯化与液氢储运的迫切需求。同时，依托材料基因工程与机器学习实现材料的精准设计与性能预测，并发展材料-器件一体化制造与评价技术，系统推动3类共性关键材料从实验室走向产业化应用。
4 思考与启示
本研究对战略规划、学术研究前沿、工程技术前沿与专利布局的综合分析结果表明，全球低温科学竞争呈现明显的区域分工：美欧侧重于量子计算基础支撑技术，日俄在极端环境能源储运装备领域更具优势。面对这一格局，我国需在氢能储运与量子计算2个方向同步发力，既要解决能源装备“卡脖子”问题，也要夯实量子科技的底层能力。
在氢能储运装备自主化方面，建议围绕“深冷液化-储运-加注”构建成套装备能力，重点发展大型高效氢液化装置、深冷高压复合储罐、关键泵阀与压缩机等核心装备，并以高性能绝热复合材料、耐低温高强结构材料与高效纯化/催化材料提升系统长期运行的可靠性。从产业链环节来看，该领域的技术瓶颈更多集中于上游关键部件与材料，例如：高效线性压缩机、特种合金精密铸件、高性能吸附剂与复合材料基材等，其国产化水平仍有待提升。建议后续围绕“核心部件攻关、系统集成验证与应用标准建立”协同推进：依托液化工厂、加氢站等真实场景开展国产装备的长期可靠性验证与迭代，并推动关键材料与部件的标准化、系列化，以规模化应用降低综合成本、提升供应链韧性，实现从单机研制向系统级自主能力的转变。
在量子计算相关的底层支撑体系方面，建议以极低温稀释制冷机为核心，统筹推进与之配套的高性能超导材料、极低温电子学芯片和精密测控系统，形成“极低温环境-量子硬件-测控系统”的协同研发与集成验证能力。从产业链的角度，现阶段的技术瓶颈同样集中在上游基础环节，包括³He战略资源供给、极高精度低温阀门与传感器、专用低温半导体芯片等，这些因素将直接影响整机稳定性、可维护性与规模化应用。建议设立长期专项支撑，围绕稀释工质替代、低温核心芯片、高稳定性集成冷头等关键节点开展持续攻关。同时，通过开放协同平台推动模块化接口与测试评价规范建设，促进科研机构与企业在制冷平台、量子芯片与测控模块等环节的专业化分工与集成验证。通过应用场景牵引与迭代优化，逐步形成自主可控的产业生态，为我国量子科技的体系化发展提供基础设施支撑。
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