用于量子計算的Sub-1 K冷卻：第3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。

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踐^th世紀。事實上，阿爾伯特·愛因斯坦（是的，那個阿爾伯特·愛因斯坦）和他的學生利奧·西拉德（Leo Szilard，也成為了一位著名的物理學家）根據這一物理原理設計了一種冰箱并獲得了專利。

他們的動機不是低溫，而是取代越來越流行的主動電動冷卻器，以取代被動冰箱。這些冷卻器使用氨和丁烷等致命氣體作為工作液。當這些氣體泄漏時，由于多種原因，家庭居住者可能會窒息，類似于一氧化碳死亡。這是一場相當普遍的悲劇，在很多情況下，整個家庭都被消滅了。

吸收式冷卻是否與標準制冷有關，尤其是在美國？不，當今廣泛使用的冷卻或制冷系統被稱為蒸汽壓縮制冷系統 （VCRS），其中制冷劑發生相變。制冷劑是氫氟碳化物 （HFC），如 R-22（氟利昂，現已因環境問題而被禁用）、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境影響方面都有不同的好處。這項技術經過多年的使用經過高度完善，但無法進行低溫冷卻。

請注意，吸收式冰箱有時在北美使用，而在歐洲更為常見。它們還用于離網應用，例如休閑車 （RV），即使沒有電力，也可以使用丙烷燃燒或太陽能等熱源。他們利用這種主要熱源來驅動涉及制冷劑和吸收劑的冷卻循環。

吸收式制冷系統是一種熱驅動制冷技術，利用低品位能源的熱量進行冷卻。它由五個主要部件組成：發電機、熱交換器、冷凝器、蒸發器和吸收器，如圖 1 所示。

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

該系統不使用壓縮機，而是在向發電機供熱時利用吸收器捕獲并通過泵輸送弱冷卻劑。在蒸發器中，制冷劑在吸收熱量時被汽化，從而冷卻。然后蒸汽被在吸收器中主動冷卻的弱溶液吸收。

接下來，稀釋后的溶液被泵送到發電機，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，液態制冷劑相通過膨脹閥膨脹至較低壓力，并流回蒸發器以補充蒸發器制冷劑。同時，強溶液通過熱交換器送回吸收器，吸收來自蒸發器的制冷劑蒸氣;這個過程在整個周期中重復。

這種方法的優點是可以使用低能耗或廢熱，運動部件很少或沒有，并且可靠。然而，與 VCRS 方法相比，它的效率相對較低。

“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，來自查爾姆斯理工大學（瑞典）、美國國家標準與技術研究院（NIST）和馬里蘭大學的量子研究人員團隊采用這一原理，創造了一種量子冰箱，可以自主將超導量子比特冷卻到創紀錄的低溫20 mK左右。

他們的量子吸收冰箱利用大約 40 mK 的“熱”量子系統從另一個“冷”量子系統中提取熱量，通過量子相互作用而不是流體的熱力學來實現這一點。此外，它不需要持續的外部控制。

其設計利用了三個超導量子，如圖2所示。這不是印刷錯誤：“量子”是量子比特的概括，因為它們具有兩個以上的能級。其中一個 qudits 耦合到大約 40 mK 的溫暖環境，作為熱浴，提供驅動冷卻過程所需的能量。正是這種熱溫泉浴激發了熱的 qudit。

圖 2.在微開爾文吸收冷卻方案中使用三個qudits的概念方案;冗長而內容豐富的標題可在此處獲得。（圖片來源：自然物理學)

第二個 qudit 與較冷的環境有關，起到一個可以將熱量排出的冷熱浴的作用。最后，第三個 qudit 是需要冷卻并強制到基態的目標量子比特。

庫迪特之間的這種三體相互作用（與經典物理學的三體問題無關）驅動制冷過程。來自熱量子量子和來自目標量子比特的量子能量同時轉移到冷量子量子;然后，這種能量在冷熱浴中消散。

使用這一過程，該團隊實現了僅 22 mK 的冷卻方法的創紀錄低溫，如圖 3 所示。他們指出，這個溫度對應于目標量子比特處于基態的概率為 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——基于超導電路，并由環境熱量提供動力。該設備是在瑞典查爾姆斯理工大學的納米制造實驗室制造的。（右）稀釋制冷機是一種冷卻系統，它封閉了一臺量子計算機，使量子比特降至 50 毫開爾文以下;照片中稀釋冰箱的外殼已被移除。（圖片來源：查爾姆斯理工大學)

他們方法的額外好處之一是量子冰箱可以自主運行，在這個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到這個階段。與其說是節能問題，不如說是簡化作和減少控制需求。

總結

量子計算的奇特而現實世界的應用帶來了新的挑戰。特別是，需要在接近絕對零 （0 K） 的作下強制量子比特進入已知的信托基態。現有和新的制冷技術都采用了實現這一目標，利用了既定方法以及現有方法的創新變體。