用于量子計算的Sub-1K冷卻：第 1 部分

需要新技術和對舊技術進行改進，以達到 <1 K 的量子計算冷卻。

出于多種原因，各種形式的量子計算是當今的熱門話題。它提供了解決其他棘手的數值問題、編碼和解碼超級密碼等等的潛力。它受到了媒體的大量炒作，但更重要的是，大學、政府研究人員和擁有大量研發(fā)預算的私營公司正在向該學科投入大量資金。討論進展的論文和宣傳進展的新聞稿正在成為常態(tài)。

雖然已經取得了相當大的進展，但我們不太可能在未來五年或十年內看到便攜式甚至臺式量子計算機（當然，我們應該“永遠不要說永遠”，不可預見的突破確實會發(fā)生）。

造成這種情況的原因之一是這個熱門話題需要極冷才能發(fā)揮作用。這不是液態(tài)氫在 20.28 K（-252.87 °C 或 -423.17 °F）下的低溫;相反，它需要超低溫的 1 K 以下區(qū)域，下降到毫開爾文 （mK） 區(qū)。

本文不是有關量子計算的教程。相反，它著眼于與該主題相關的一些背景、既定的冷卻方案以及有助于實現和維持所需 <0.1 K 溫度的新制冷方法。

通過這樣做，我們將深入研究一個在許多方面違背常識和直覺的世界，但它存在并且非常真實。在這個“詭異”的量子計算世界中，經典物理學和電子學在某種程度上被擱置一旁。

為什么這么冷？

量子比特（稱為量子比特）與傳統(tǒng)的數字電子比特不同，后者要么處于邏輯 1 狀態(tài)，要么處于邏輯 0 狀態(tài)。相反，它們同時存在于所謂的兩種狀態(tài)的疊加中。這種違反直覺的狀態(tài)使量子計算機能夠同時經歷大量的可能性，并可以利用這些可能性來實現量子算法。

但是，與傳統(tǒng)處理器一樣，您需要一個已知的啟動狀態(tài)。對于量子比特，這稱為信托狀態(tài)，并與最低能量狀態(tài)相關聯，稱為邏輯狀態(tài) 0。這種初始狀態(tài)下的不確定性成為貫穿所有量子算法步驟的起點誤差。因此，量子比特初始化得越接近其“接地”狀態(tài)，信托狀態(tài)出現不確定性的可能性就越低。永遠記住，我們處于量子層面，所以我們在這里處理的是概率而不是確定性。

讓這些量子比特達到基態(tài)的方法一點也不奇怪：冷卻它們以消耗盡可能多的能量，這樣就會更少的量子比特被誘導到激發(fā)的邏輯 1 狀態(tài)。請注意，這是熱噪聲的另一種表現形式，它困擾著低級模擬甚至數字電子電路，盡管在這種情況下形式不同。

顯然，越冷越好。大多數量子系統(tǒng)使用所謂的稀釋制冷機來達到低至 10 mK，但一些量子比特的溫度可以低至 50 mK，并且很難讓這些“落伍者”進一步冷卻。因此，某些量子比特不處于邏輯 0 基態(tài)，但處于激發(fā)狀態(tài)的可能性很小，但很有可能，因此在后續(xù)計算中會出錯。

稀釋制冷

您可以在我當地的電器商店購買稀釋冰箱嗎？簡短的回答：不。它基于實現極寒的完全不同的原理。系統(tǒng)中沒有像消費類或工業(yè)冰箱那樣的壓縮機或電機，但差異遠不止于此。

稀釋制冷機混合氦同位素，可以將物體冷卻到大約 10 mK，在低溫區(qū)域沒有移動部件。它已經存在了大約 50 年，當然也得到了改進。

這個冰箱背后的概念有點違反直覺，許多與量子相關的函數也是如此。稀釋裝置的冷卻能力來自氦-3 （He-3） 和氦-4 （He-4） 同位素混合物的混合熱量。氦氣的不尋常特性使這一點成為可能：它的兩種同位素可以在最低溫度下保持溶解，而其他流體往往在足夠低的溫度下完全分離。

首先，一些背景：He-3 和 He-4 代表兩種不同的基本粒子。He-3 是費米子，而 He-4 是玻色子。玻色子可以經歷一種稱為玻色-愛因斯坦縮合的現象，其中多個粒子可以占據最低的量子力學能態(tài)（與“凝聚”的常規(guī)含義完全無關）。這種現象是導致 He-4 在飽和蒸氣壓下在 2.17 K 處開始超流動的原因。

超流動性是流動時沒有摩擦或粘度的特性，因此不會損失任何動能。當攪拌時，超流體會形成繼續(xù)無限旋轉的渦流。它在概念上有點類似于超導，但卻是一種非常不同的現象。

對于費米子，玻色子現象是不可能的，因為只允許兩個費米子（具有相反的自旋）占據相同的量子力學能態(tài)。因此，He-3 中的超流體狀態(tài)更難實現，并且在稀釋冰箱的工作溫度范圍內不會發(fā)生。正常流體 He-3 也稱為費米流體。

稀釋制冷機利用氦的兩種同位素 He-3 和 He-4 的混合熱來獲得冷卻。在低于約 0.87 K 的溫度下（確切的溫度取決于 He-3 濃度），He-3 加 He-4 混合物將分離成兩相：富 He-3 相（濃縮相）和 He-3 貧相（稀相），如圖 1 所示。

圖 1.氦 3 和氦 4 混合物的相圖控制稀釋制冷過程。（圖片來源：Bluefors OY/芬蘭）

當溫度接近絕對零度時，濃縮相變成純 He-3，而約 6.6% 的 He-3 保留在稀的富 He-3 相中。He-3 在稀相中的焓大于在濃相中的焓，因此需要能量將 He-3 原子從濃相移動到稀相。

在稀釋冰箱中，這種能量取自隔熱環(huán)境，因此會發(fā)生冷卻。稀釋裝置提供的冷卻基于 He-3 在泵入稀相時需要熱量，從而在發(fā)生這種情況的環(huán)境中提供冷卻。

本文的第 2 部分著眼于稀釋冰箱的物理結構。