需要新技術(shù)和對(duì)舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到 <1 K 的量子計(jì)算冷卻。

出于多種原因，各種形式的量子計(jì)算是當(dāng)今的熱門話題。它提供了解決其他棘手的數(shù)值問(wèn)題、編碼和解碼超級(jí)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(xué)、政府研究人員和擁有大量研發(fā)預(yù)算的私營(yíng)公司正在向該學(xué)科投入大量資金。討論進(jìn)展的論文和宣傳進(jìn)展的新聞稿正在成為常態(tài)。

雖然已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但我們不太可能在未來(lái)五年或十年內(nèi)看到便攜式甚至臺(tái)式量子計(jì)算機(jī)（當(dāng)然，我們應(yīng)該“永遠(yuǎn)不要說(shuō)永遠(yuǎn)”，不可預(yù)見(jiàn)的突破確實(shí)會(huì)發(fā)生）。

造成這種情況的原因之一是這個(gè)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(kāi)爾文 （mK） 區(qū)。

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

通過(guò)這樣做，我們將深入研究一個(gè)在許多方面違背常識(shí)和直覺(jué)的世界，但它存在并且非常真實(shí)。在這個(gè)“詭異”的量子計(jì)算世界中，經(jīng)典物理學(xué)和電子學(xué)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(shù)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(shí)存在于所謂的兩種狀態(tài)的疊加中。這種違反直覺(jué)的狀態(tài)使量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)經(jīng)歷大量的可能性，并可以利用這些可能性來(lái)實(shí)現(xiàn)量子算法。

但是，與傳統(tǒng)處理器一樣，您需要一個(gè)已知的啟動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于量子比特，這稱為信托狀態(tài)，并與最低能量狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，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(diǎn)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(xiàn)不確定性的可能性就越低。永遠(yuǎn)記住，我們處于量子層面，所以我們?cè)谶@里處理的是概率而不是確定性。

讓這些量子比特達(dá)到基態(tài)的方法一點(diǎn)也不奇怪：冷卻它們以消耗盡可能多的能量，這樣就會(huì)更少的量子比特被誘導(dǎo)到激發(fā)的邏輯 1 狀態(tài)。請(qǐng)注意，這是熱噪聲的另一種表現(xiàn)形式，它困擾著低級(jí)模擬甚至數(shù)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(shù)量子系統(tǒng)使用所謂的稀釋制冷機(jī)來(lái)達(dá)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(jìn)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(jì)算中會(huì)出錯(cuò)。

稀釋制冷

您可以在我當(dāng)?shù)氐碾娖魃痰曩?gòu)買稀釋冰箱嗎？簡(jiǎn)短的回答：不。它基于實(shí)現(xiàn)極寒的完全不同的原理。系統(tǒng)中沒(méi)有像消費(fèi)類或工業(yè)冰箱那樣的壓縮機(jī)或電機(jī)，但差異遠(yuǎn)不止于此。

稀釋制冷機(jī)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(méi)有移動(dòng)部件。它已經(jīng)存在了大約 50 年，當(dāng)然也得到了改進(jìn)。

這個(gè)冰箱背后的概念有點(diǎn)違反直覺(jué)，許多與量子相關(guān)的函數(shù)也是如此。稀釋裝置的冷卻能力來(lái)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(diǎn)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(fèi)米子，而 He-4 是玻色子。玻色子可以經(jīng)歷一種稱為玻色-愛(ài)因斯坦縮合的現(xiàn)象，其中多個(gè)粒子可以占據(jù)最低的量子力學(xué)能態(tài)（與“凝聚”的常規(guī)含義完全無(wú)關(guān)）。這種現(xiàn)象是導(dǎo)致 He-4 在飽和蒸氣壓下在 2.17 K 處開(kāi)始超流動(dòng)的原因。

超流動(dòng)性是流動(dòng)時(shí)沒(méi)有摩擦或粘度的特性，因此不會(huì)損失任何動(dòng)能。當(dāng)攪拌時(shí)，超流體會(huì)形成繼續(xù)無(wú)限旋轉(zhuǎn)的渦流。它在概念上有點(diǎn)類似于超導(dǎo)，但卻是一種非常不同的現(xiàn)象。

對(duì)于費(fèi)米子，玻色子現(xiàn)象是不可能的，因?yàn)橹辉试S兩個(gè)費(fèi)米子（具有相反的自旋）占據(jù)相同的量子力學(xué)能態(tài)。因此，He-3 中的超流體狀態(tài)更難實(shí)現(xiàn)，并且在稀釋冰箱的工作溫度范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生。正常流體 He-3 也稱為費(fèi)米流體。

稀釋制冷機(jī)利用氦的兩種同位素 He-3 和 He-4 的混合熱來(lái)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(guò)程。（圖片來(lái)源：Bluefors OY/芬蘭）

當(dāng)溫度接近絕對(duì)零度時(shí)，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(dòng)到稀相。

在稀釋冰箱中，這種能量取自隔熱環(huán)境，因此會(huì)發(fā)生冷卻。稀釋裝置提供的冷卻基于 He-3 在泵入稀相時(shí)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(jié)構(gòu)。