IBM研發(fā)出世界上實驗容積最大的稀釋制冷機“黃金眼”

　　去年IBM公布了他們的“黃金眼(Goldeneye)項目”：為量子計算機造一臺前所未有的超大稀釋制冷機(俗稱冰箱，科學(xué)家也叫它大桶)——包含1.7立方米的實驗容積，可以將比三個家庭廚房冰箱更大的容積冷卻到比外太空更冷的溫度，而以前的制冷機在0.4-0.7立方米的范圍內(nèi)。這是世界上實驗容積最大的稀釋冰箱。

　　近日，IBM終于宣布成功地將“黃金眼”冷卻到工作溫度(~25 mK)，并在內(nèi)部連接了一個量子處理器[1]。黃金眼將很快轉(zhuǎn)移到位于紐約的IBM量子計算中心，該中心正在探索大型低溫系統(tǒng)，以最好地滿足未來量子數(shù)據(jù)中心的冷卻需求，例如正在開發(fā)的用于IBM System Two的Bluefors Kide平臺。IBM表示，“我們希望它的創(chuàng)新設(shè)計，著眼于易用性，將激發(fā)下一代真空和低溫制冷技術(shù)?！?/p>

　　稀釋制冷機是一種實驗性低溫設(shè)備，使用兩種氦同位素(氦-3和氦-4)的混合物，將空間容積冷卻到毫開爾文(mK)范圍，即絕對零度(-273.15℃)以上千分之幾度。

　　稀釋制冷機通過使用多個步驟從氦同位素混合物中去除熱量來進行冷卻，然后使用真空泵將氦-3循環(huán)并稀釋到氦-3/氦-4混合物中，直到達到目標(biāo)溫度。早期階段，所有稀釋制冷機都是“濕”系統(tǒng)，需要像液氮和其他低溫液體這樣已經(jīng)很冷的物質(zhì)來開始冷卻。今天的制冷機更常見的是“干燥的”，即無液氦稀釋制冷機：采用一種稱為低溫冷卻器的機械部件，提供初始50 K和4 K的溫度，用于預(yù)冷卻氦混合物。

上圖：左：“黃金眼”超級冰箱的內(nèi)部。 右圖：IBM 團隊在閉合外殼的儀器旁邊。

　　這些都是先進的機器，因此很難擴大規(guī)模?！包S金眼”項目采用了全新的框架和低溫恒溫器結(jié)構(gòu)——負責(zé)冷卻的主要桶形組件——以最大限度地增加實驗容積，同時降低噪聲，達到冷卻實驗量子硬件所需的溫度。該設(shè)計是模塊化的，這使得原型設(shè)計、組裝和拆卸對于一個由四名IBM工程師組成的團隊來說更容易。其他大型稀釋制冷機可能需要更大的起重機和十幾名或更多的技術(shù)人員進行組裝和拆卸。

　　低溫恒溫器還具有蛤殼式設(shè)計，允許外部真空室側(cè)向打開，無需移除整個外殼即可接觸內(nèi)部硬件。如今大多數(shù)稀釋制冷機都需要一組操作員才能正常工作，但黃金眼的全自動系統(tǒng)包括一個專門設(shè)計的懸臂起重機，未來甚至可以一個人操作冰箱——這可以在開源可視化平臺的幫助下遠程監(jiān)控。

　　低溫恒溫器的內(nèi)部能夠安裝一組10個內(nèi)部板(internal plates)，用于在其上半部和下半部安裝組件：五個“常規(guī)”單元在頂部，五個倒置單元在底部。它還可以容納多達六個單獨的稀釋制冷機單元，在100 mK溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)近10 mW的冷卻功率，在4 K溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)超過24 W的冷卻功率。最后，整個系統(tǒng)的重量(6.7公噸)也有助于抑制振動，減少了對其他常用抑制技術(shù)的需求。

上圖：“黃金眼”的 技術(shù)負責(zé)人 Pat Gumann 在進行一些調(diào)整。

　　最重要的是，IBM表示，它是有效的。從項目開始到目前的25 mK里程碑，僅僅過了三年，就能夠?qū)⒘孔颖忍匦酒湃肫渲小?/p>

　　這項測試完成了對量子比特頻率和相干時間的測量，通過觀察一個量子比特展示了黃金眼的性能。相干時間450微秒，相當(dāng)于在其他商用稀釋制冷系統(tǒng)上測得的相干時間。盡管不同的內(nèi)部環(huán)境和更大的實驗容積，也沒有觀察到量子比特性能的下降。

　　IBM表示，盡管它很大，但是很高效。容納等量的量子硬件，它比現(xiàn)在的大型稀釋制冷機需要更少的空間。在當(dāng)今最先進的制冷機中部署同等硬件需要10倍的實驗室空間。

　　IBM也表示，“我們不知道用于冷卻未來量子計算機的制冷機是否真的會這么大。但黃金眼可以使我們可以考慮許多不同的方式來擴展我們的量子處理器，甚至在2025年之后，并將幫助我們進一步概念化未來量子數(shù)據(jù)中心的低溫基礎(chǔ)設(shè)施。最重要的是，每當(dāng)我們突破一個技術(shù)邊界，我們都會學(xué)到一些新的東西。通過簡單地構(gòu)建黃金眼，我們團隊測試了低溫科學(xué)的極限，同時告訴我們什么樣的大規(guī)模量子實驗可能很快就可行。隨著我們繼續(xù)為世界繪制量子路線圖，從這個項目中學(xué)到的經(jīng)驗可能會用于未來的IBM Quantum System 3?！?/p>