电子产品世界

需要新技术和对旧技术进行改进，以达到 <1 K 的量子计算冷却。

本系列的最后一部分着眼于吸收式制冷，这是稀释制冷的替代方案。

低温冷却的稀释制冷原理是众所周知并广泛使用的，但还有另一种选择：吸收式制冷。它的原理在 20 年初就为人所知并付诸实践^th世纪。事实上，阿尔伯特·爱因斯坦（是的，那个阿尔伯特·爱因斯坦）和他的学生利奥·西拉德（Leo Szilard，也成为了一位著名的物理学家）根据这一物理原理设计了一种冰箱并获得了专利。

他们的动机不是低温，而是取代越来越流行的主动电动冷却器，以取代被动冰箱。这些冷却器使用氨和丁烷等致命气体作为工作液。当这些气体泄漏时，由于多种原因，家庭居住者可能会窒息，类似于一氧化碳死亡。这是一场相当普遍的悲剧，在很多情况下，整个家庭都被消灭了。

吸收式冷却是否与标准制冷有关，尤其是在美国？不，当今广泛使用的冷却或制冷系统被称为蒸汽压缩制冷系统 （VCRS），其中制冷剂发生相变。制冷剂是氢氟碳化物 （HFC），如 R-22（氟利昂，现已因环境问题而被禁用）、R-134a 和 R-410A，以及氨和二氧化碳等天然制冷剂，每种制冷剂在效率和环境影响方面都有不同的好处。这项技术经过多年的使用经过高度完善，但无法进行低温冷却。

请注意，吸收式冰箱有时在北美使用，而在欧洲更为常见。它们还用于离网应用，例如休闲车 （RV），即使没有电力，也可以使用丙烷燃烧或太阳能等热源。他们利用这种主要热源来驱动涉及制冷剂和吸收剂的冷却循环。

吸收式制冷系统是一种热驱动制冷技术，利用低品位能源的热量进行冷却。它由五个主要部件组成：发电机、热交换器、冷凝器、蒸发器和吸收器，如图 1 所示。

图 1.吸收式制冷方法基于五个主要功能。（图片：Science Direct)

该系统不使用压缩机，而是在向发电机供热时利用吸收器捕获并通过泵输送弱冷却剂。在蒸发器中，制冷剂在吸收热量时被汽化，从而冷却。然后蒸汽被在吸收器中主动冷却的弱溶液吸收。

接下来，稀释后的溶液被泵送到发电机，制冷剂蒸气从溶液中热解吸并送到冷凝器，在那里冷凝。在那里，液态制冷剂相通过膨胀阀膨胀至较低压力，并流回蒸发器以补充蒸发器制冷剂。同时，强溶液通过热交换器送回吸收器，吸收来自蒸发器的制冷剂蒸气;这个过程在整个周期中重复。

这种方法的优点是可以使用低能耗或废热，运动部件很少或没有，并且可靠。然而，与 VCRS 方法相比，它的效率相对较低。

“吸收式”冷却与“吸附式”冷却不同。吸收冷却使用液体吸收剂溶解制冷剂，而吸附冷却使用固体材料（如硅胶）吸附制冷剂。打个比方，吸收就像水溶解成液体，而吸附就像海绵吸收水分。

低温

最近，来自查尔姆斯理工大学（瑞典）、美国国家标准与技术研究院（NIST）和马里兰大学的量子研究人员团队采用这一原理，创造了一种量子冰箱，可以自主将超导量子比特冷却到创纪录的低温20 mK左右。

他们的量子吸收冰箱利用大约 40 mK 的“热”量子系统从另一个“冷”量子系统中提取热量，通过量子相互作用而不是流体的热力学来实现这一点。此外，它不需要持续的外部控制。

其设计利用了三个超导量子，如图2所示。这不是印刷错误：“量子”是量子比特的概括，因为它们具有两个以上的能级。其中一个 qudits 耦合到大约 40 mK 的温暖环境，作为热浴，提供驱动冷却过程所需的能量。正是这种热温泉浴激发了热的 qudit。

图 2.在微开尔文吸收冷却方案中使用三个qudits的概念方案;冗长而内容丰富的标题可在此处获得。（图片来源：自然物理学)

第二个 qudit 与较冷的环境有关，起到一个可以将热量排出的冷热浴的作用。最后，第三个 qudit 是需要冷却并强制到基态的目标量子比特。

库迪特之间的这种三体相互作用（与经典物理学的三体问题无关）驱动制冷过程。来自热量子量子和来自目标量子比特的量子能量同时转移到冷量子量子;然后，这种能量在冷热浴中消散。

使用这一过程，该团队实现了仅 22 mK 的冷却方法的创纪录低温，如图 3 所示。他们指出，这个温度对应于目标量子比特处于基态的概率为 99.97%。

图 3.（左）新的量子冰箱——图像中量子比特中心的方形物体——基于超导电路，并由环境热量提供动力。该设备是在瑞典查尔姆斯理工大学的纳米制造实验室制造的。（右）稀释制冷机是一种冷却系统，它封闭了一台量子计算机，使量子比特降至 50 毫开尔文以下;照片中稀释冰箱的外壳已被移除。（图片来源：查尔姆斯理工大学)

他们方法的额外好处之一是量子冰箱可以自主运行，在这个阶段不需要外部能量（电力），尽管它肯定需要大量的电力才能达到这个阶段。与其说是节能问题，不如说是简化作和减少控制需求。

总结

量子计算的奇特而现实世界的应用带来了新的挑战。特别是，需要在接近绝对零 （0 K） 的作下强制量子比特进入已知的信托基态。现有和新的制冷技术都采用了实现这一目标，利用了既定方法以及现有方法的创新变体。

关键词： 量子计算 Sub-1 K 冷却