Welche kryogenen Systeme eignen sich für supraleitende Qubits?

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Ist ein Verdünnungskühlschrank die einzige Möglichkeit, supraleitende Qubits auf 10 Millikelvin zu kühlen?

Es gibt eine andere Art von Kühlschrank, die bis zu 10 mK erreichen kann: den adiabatischen Entmagnetisierungskühlschrank (ADR). [a]

Warum ist die Verdünnungskühlung die primäre Methode?

Um das zu verstehen, sprechen wir über eine der Haupteinschränkungen des ADR.

Wie ein ADR funktioniert

Ein ADR erreicht mit einem Heliumkompressor normalerweise 3K. Dieser Kompressor kann die ganze Zeit laufen, so dass der Kühlschrank auf unbestimmte Zeit bei 3K sitzen kann. Um auf mK-Temperaturen zu kommen, funktioniert der ADR folgendermaßen:

  1. Erhöhen Sie das Magnetfeld, das einen Feststoff mit Kernspins umgibt. Dies richtet die Spins aus.
  2. Schalten Sie das Feld langsam aus. Auf diese Weise können die Spins ihre Richtung nach dem Zufallsprinzip bestimmen, wodurch Entropie aus der Umgebung absorbiert und die Temperatur gesenkt wird.
  3. Sobald das Feld wieder auf Null ist, haben wir der Umgebung genügend Wärme entzogen, um sie auf mK-Temperaturen zu bringen.

ADR-Einschränkungen

Das ist alles großartig und es funktioniert wirklich, aber es ist ein "One-Shot" -Prozess. Sobald das Feld auf Null gesunken ist, können Sie nicht mehr tiefer gehen. Wärme aus der Umgebung, wie z. B. die Außenteile des Kühlschranks, geben Wärme an den Teil ab, den Sie kalt halten möchten, und da wir das Magnetfeld bereits auf Null gesenkt haben, können wir nichts unternehmen, um es zu entfernen diese Hitze. Daher wird der ADR nach dem Abkühlen langsam warm (hoffentlich langsam genug, um das Experiment durchzuführen).

Es ist typisch, dass ein ADR für etwa zwölf Stunden unter 100 mK bleibt, obwohl diese Anzahl stark davon abhängt, wie viele Drähte Sie zum kalten Teil des ADR verlegen. Nachdem die Temperatur über das gewünschte Maß angestiegen ist, müssen Sie das Magnetfeld wieder anheben und langsam absenken, um es wieder abzukühlen. Das Anheben und Absenken des Feldes dauert eine Weile und heizt den Kühlschrank auf, und dieses große Magnetfeld ist häufig nicht mit supraleitenden Qubit-Experimenten vereinbar, sodass Sie in dieser Phase keine Experimente durchführen können.

ADR vs. Verdünnungskühlschrank

Der Verdünnungskühlschrank hingegen läuft kontinuierlich, sodass Sie so lange Zeit haben, bis Sie Ihr Experiment durchgeführt haben. Das ist ein ziemlich großer Grund dafür, dass sie allgemein verwendet werden. Beachten Sie jedoch, dass andere Kühlschränke abgesehen von der ADR sind in für Aufgaben viele supraleitende Qubits Labors eingesetzt , bei denen die Vorteile eines Mischkryostaten nicht benötigt werden , und die kürzere Kaltzeit eines ADR ist in Ordnung. Beispielsweise werden ADRs häufig für Experimente mit supraleitenden Resonatoren verwendet, um die Qualität von Materialien zu testen, die später für ein Qubit verwendet werden können.

[a] : Entschuldigung, dass ich keinen besseren Link gefunden habe. Änderungen daran sind willkommen.

DanielSank
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In diesem Bild sieht es so aus, als gäbe es Drähte mit sehr hohem Strom, die nur dann sinnvoll wären, wenn Elektromagnete beteiligt wären. würde dies bedeuten, dass IBM ADR verwendet (zumindest zum Zeitpunkt des Schreibens des Artikels, in dem ich das Bild gefunden habe)?
Heather
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@heather Das sieht für mich wie ein Verdünnungskühlschrank aus. Diese riesigen Kupfergeflechte sind eine Art mechanischer Isolatoren. Ich denke, sie sind aus Kupfer, um das Gehäuse des Kryostaten auf der gleichen Spannung zu halten und Erdströme zu vermeiden. Der windige Draht, der in der Mitte etwas aussieht, ist eigentlich eine Pfeife voller Helium-4- und Helium-3-Gemische. Das Mittelrohr, um das es gewickelt ist, ist der kalte Teil eines Kompressors, der ~ 3 Kelvin erreicht. Das dünnere Rohr wird umwickelt, um das Heliumgemisch vorzukühlen, während es in Richtung der Mischkammer gelangt, wo es 10 mK erreicht.
DanielSank
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@heather Das Kupfer dient nicht zur Erdung, sondern zur Wärmeverbindung zwischen dem Kaltkopf des Pulsrohrkühlers, wodurch die beiden äußeren Abschirmungen auf 4K bzw. 1K heruntergekühlt werden. Kupfer ist ein sehr guter Wärmeleiter, Flexibilität dient zur mechanischen Entkopplung von Vibrationen der Pulsrohre.
Johu