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。

本系列的最后一部分著眼于吸收式制冷，這是稀釋制冷的替代方案。

低溫冷卻的稀釋制冷原理是眾所周知并廣泛使用的，但還有另一種選擇：吸收式制冷。它的原理在 20 年初就為人所知并付諸實(shí)踐^th世紀(jì)。事實(shí)上，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（是的，那個(gè)阿爾伯特·愛(ài)因斯坦）和他的學(xué)生利奧·西拉德（Leo Szilard，也成為了一位著名的物理學(xué)家）根據(jù)這一物理原理設(shè)計(jì)了一種冰箱并獲得了專利。

他們的動(dòng)機(jī)不是低溫，而是取代越來(lái)越流行的主動(dòng)電動(dòng)冷卻器，以取代被動(dòng)冰箱。這些冷卻器使用氨和丁烷等致命氣體作為工作液。當(dāng)這些氣體泄漏時(shí)，由于多種原因，家庭居住者可能會(huì)窒息，類似于一氧化碳死亡。這是一場(chǎng)相當(dāng)普遍的悲劇，在很多情況下，整個(gè)家庭都被消滅了。

吸收式冷卻是否與標(biāo)準(zhǔn)制冷有關(guān)，尤其是在美國(guó)？不，當(dāng)今廣泛使用的冷卻或制冷系統(tǒng)被稱為蒸汽壓縮制冷系統(tǒng) （VCRS），其中制冷劑發(fā)生相變。制冷劑是氫氟碳化物 （HFC），如 R-22（氟利昂，現(xiàn)已因環(huán)境問(wèn)題而被禁用）、R-134a 和 R-410A，以及氨和二氧化碳等天然制冷劑，每種制冷劑在效率和環(huán)境影響方面都有不同的好處。這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的使用經(jīng)過(guò)高度完善，但無(wú)法進(jìn)行低溫冷卻。

請(qǐng)注意，吸收式冰箱有時(shí)在北美使用，而在歐洲更為常見(jiàn)。它們還用于離網(wǎng)應(yīng)用，例如休閑車 （RV），即使沒(méi)有電力，也可以使用丙烷燃燒或太陽(yáng)能等熱源。他們利用這種主要熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)涉及制冷劑和吸收劑的冷卻循環(huán)。

吸收式制冷系統(tǒng)是一種熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)，利用低品位能源的熱量進(jìn)行冷卻。它由五個(gè)主要部件組成：發(fā)電機(jī)、熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器，如圖 1 所示。

圖 1.吸收式制冷方法基于五個(gè)主要功能。（圖片：Science Direct)

該系統(tǒng)不使用壓縮機(jī)，而是在向發(fā)電機(jī)供熱時(shí)利用吸收器捕獲并通過(guò)泵輸送弱冷卻劑。在蒸發(fā)器中，制冷劑在吸收熱量時(shí)被汽化，從而冷卻。然后蒸汽被在吸收器中主動(dòng)冷卻的弱溶液吸收。

接下來(lái)，稀釋后的溶液被泵送到發(fā)電機(jī)，制冷劑蒸氣從溶液中熱解吸并送到冷凝器，在那里冷凝。在那里，液態(tài)制冷劑相通過(guò)膨脹閥膨脹至較低壓力，并流回蒸發(fā)器以補(bǔ)充蒸發(fā)器制冷劑。同時(shí)，強(qiáng)溶液通過(guò)熱交換器送回吸收器，吸收來(lái)自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣;這個(gè)過(guò)程在整個(gè)周期中重復(fù)。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以使用低能耗或廢熱，運(yùn)動(dòng)部件很少或沒(méi)有，并且可靠。然而，與 VCRS 方法相比，它的效率相對(duì)較低。

“吸收式”冷卻與“吸附式”冷卻不同。吸收冷卻使用液體吸收劑溶解制冷劑，而吸附冷卻使用固體材料（如硅膠）吸附制冷劑。打個(gè)比方，吸收就像水溶解成液體，而吸附就像海綿吸收水分。

低溫

最近，來(lái)自查爾姆斯理工大學(xué)（瑞典）、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和馬里蘭大學(xué)的量子研究人員團(tuán)隊(duì)采用這一原理，創(chuàng)造了一種量子冰箱，可以自主將超導(dǎo)量子比特冷卻到創(chuàng)紀(jì)錄的低溫20 mK左右。

他們的量子吸收冰箱利用大約 40 mK 的“熱”量子系統(tǒng)從另一個(gè)“冷”量子系統(tǒng)中提取熱量，通過(guò)量子相互作用而不是流體的熱力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此外，它不需要持續(xù)的外部控制。

其設(shè)計(jì)利用了三個(gè)超導(dǎo)量子，如圖2所示。這不是印刷錯(cuò)誤：“量子”是量子比特的概括，因?yàn)樗鼈兙哂袃蓚€(gè)以上的能級(jí)。其中一個(gè) qudits 耦合到大約 40 mK 的溫暖環(huán)境，作為熱浴，提供驅(qū)動(dòng)冷卻過(guò)程所需的能量。正是這種熱溫泉浴激發(fā)了熱的 qudit。

圖 2.在微開(kāi)爾文吸收冷卻方案中使用三個(gè)qudits的概念方案;冗長(zhǎng)而內(nèi)容豐富的標(biāo)題可在此處獲得。（圖片來(lái)源：自然物理學(xué))

第二個(gè) qudit 與較冷的環(huán)境有關(guān)，起到一個(gè)可以將熱量排出的冷熱浴的作用。最后，第三個(gè) qudit 是需要冷卻并強(qiáng)制到基態(tài)的目標(biāo)量子比特。

庫(kù)迪特之間的這種三體相互作用（與經(jīng)典物理學(xué)的三體問(wèn)題無(wú)關(guān)）驅(qū)動(dòng)制冷過(guò)程。來(lái)自熱量子量子和來(lái)自目標(biāo)量子比特的量子能量同時(shí)轉(zhuǎn)移到冷量子量子;然后，這種能量在冷熱浴中消散。

使用這一過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了僅 22 mK 的冷卻方法的創(chuàng)紀(jì)錄低溫，如圖 3 所示。他們指出，這個(gè)溫度對(duì)應(yīng)于目標(biāo)量子比特處于基態(tài)的概率為 99.97%。

圖 3.（左）新的量子冰箱——圖像中量子比特中心的方形物體——基于超導(dǎo)電路，并由環(huán)境熱量提供動(dòng)力。該設(shè)備是在瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的納米制造實(shí)驗(yàn)室制造的。（右）稀釋制冷機(jī)是一種冷卻系統(tǒng)，它封閉了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，使量子比特降至 50 毫開(kāi)爾文以下;照片中稀釋冰箱的外殼已被移除。（圖片來(lái)源：查爾姆斯理工大學(xué))

他們方法的額外好處之一是量子冰箱可以自主運(yùn)行，在這個(gè)階段不需要外部能量（電力），盡管它肯定需要大量的電力才能達(dá)到這個(gè)階段。與其說(shuō)是節(jié)能問(wèn)題，不如說(shuō)是簡(jiǎn)化作和減少控制需求。

總結(jié)

量子計(jì)算的奇特而現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。特別是，需要在接近絕對(duì)零 （0 K） 的作下強(qiáng)制量子比特進(jìn)入已知的信托基態(tài)?，F(xiàn)有和新的制冷技術(shù)都采用了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，利用了既定方法以及現(xiàn)有方法的創(chuàng)新變體。