Những hệ thống đông lạnh nào phù hợp cho các qubit siêu dẫn?

Là một tủ lạnh pha loãng là cách duy nhất để làm mát các qubit siêu dẫn xuống đến 10 millikelvin? Nếu không, có những phương pháp nào khác, và tại sao làm lạnh pha loãng là phương pháp chính?

Là một tủ lạnh pha loãng là cách duy nhất để làm mát qubit siêu dẫn xuống đến 10 millikelvin?

Có một loại tủ lạnh khác có thể đạt tới 10 mK: tủ lạnh khử từ đáng tin cậy (ADR). [ a ]$^{[a]}$

Tại sao làm lạnh pha loãng là phương pháp chính?

Để hiểu điều đó, hãy nói về một trong những hạn chế chính của ADR.

Cách thức hoạt động của ADR

Một ADR thường đạt khoảng 3K với máy nén khí heli. Máy nén đó có thể chạy mọi lúc, vì vậy tủ lạnh có thể ngồi ở mức 3K vô thời hạn. Để giảm xuống nhiệt độ mK, ADR hoạt động như thế này:

1. Nâng từ trường xung quanh một vật rắn có spin hạt nhân. Điều này sắp xếp các spin.
2. Từ từ tắt cánh đồng. Điều này cho phép các spin ngẫu nhiên hướng của chúng, giúp hấp thụ entropy từ môi trường xung quanh và làm giảm nhiệt độ.
3. Khi trường trở về không, chúng ta đã hút đủ nhiệt ra khỏi môi trường xung quanh để đưa chúng đến nhiệt độ mK.

Giới hạn ADR

Đây là tất cả tuyệt vời và nó thực sự hoạt động, nhưng đó là một quá trình "one-shot". Khi trường xuống 0, bạn không thể xuống thấp hơn nữa. Nhiệt từ môi trường xung quanh, chẳng hạn như nhiệt độ phòng bên ngoài của tủ lạnh, rò rỉ nhiệt vào phần bạn đang cố gắng giữ lạnh và vì chúng tôi đã hạ từ trường xuống 0, chúng tôi không thể làm gì để loại bỏ nhiệt. Do đó, sau khi làm mát ADR, nó bắt đầu ấm lên (hy vọng đủ chậm để chạy thử nghiệm của bạn).

Đó là điển hình cho một ADR ở dưới 100mK trong khoảng mười hai giờ, mặc dù con số đó phụ thuộc rất nhiều vào số lượng dây bạn đã chạy đến phần lạnh của ADR. Sau khi nhiệt độ tăng cao hơn mức bạn muốn, bạn phải tăng từ trường một lần nữa và từ từ hạ xuống để làm mát lại. Việc nâng và hạ cánh đồng mất một lúc và làm nóng tủ lạnh, và từ trường lớn đó thường không tương thích với các thí nghiệm qubit siêu dẫn, vì vậy bạn không thể chạy thử nghiệm trong khi bạn đang ở giai đoạn đó của quá trình.

ADR so với tủ lạnh pha loãng

Mặt khác, tủ lạnh pha loãng, chạy liên tục, vì vậy bạn có miễn là bạn cần chạy thử nghiệm. Đó là một lý do khá lớn mà chúng được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, lưu ý rằng các tủ lạnh khác ngoài ADR được sử dụng trong nhiều phòng thí nghiệm qubit siêu dẫn cho các nhiệm vụ trong đó không có lợi ích của tủ lạnh pha loãng và thời gian lạnh của ADR là ngắn. Ví dụ, ADR là phổ biến cho các thử nghiệm với bộ cộng hưởng siêu dẫn, được sử dụng để kiểm tra chất lượng vật liệu mà sau này có thể được sử dụng cho một qubit.

$[a]$